Journal of Marine Sciences >

2024 , Vol. 42 >Issue 1: 1 - 12

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2024.01.001

Acoustic characteristics of rocks from the SWIR hydrothermal fields

  • JIE Tianyu , 1, 2 ,
  • ZHOU Jianping , 1, 2, 3, * ,
  • TAO Chunhui 1, 2 ,
  • WANG Hanchuang 1, 2 ,
  • LI Qianyu 1, 2, 4 ,
  • WU Tao 1, 2 ,
  • LIU Long 5
Expand
  • 1. Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 3. Technology Innovation Center for Intelligent Ocean Observation,MNR, Hangzhou 310012, China
  • 4. School of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
  • 5. Xi’an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi’an 710054, China

Received date: 2022-11-27

  Revised date: 2023-05-18

  Online published: 2024-05-11

Fold

Abstract

The hydrothermal fields of the Southwest Indian Ridge (SWIR) have the potential to develop large scale sulfide deposits, and the SWIR sulfide mineral resource evaluation is currently underway. Measurement and analysis of petrophysical characteristics such as P-wave velocity of sulfides and different host rocks are the basis for processing and interpretation of near-bottom seismic exploration data. Through the systematic measurement of the physical properties of sulfides and host rocks in the SWIR hydrothermal areas, we have analyzed the characteristics of rock P-wave velocity variation and its influencing factors by combining rock physical properties (including density, porosity, P-wave velocity) and minerals. The results show that the P-wave velocity of SWIR rocks is influenced by the rock skeleton minerals, pore space and confining pressure. Due to the overall small porosity of the rocks, the effect on P-wave velocity is not significant, but the increase of the confining pressure gradually closes the rock microfractures and pores, and the P-wave velocity varies non-linearly exponentially. The alteration causes the change of mineral composition, which is the most critical factor affecting the P-wave velocity of the confining rocks. The results of single physical parameter measurements may have multiple solutions, and the joint measurement of multiple physical parameters such as wave velocity, density, magnetic and electrical properties is beneficial for lithological differentiation. The research results help identifying sulfides and host rocks, and provide important support for the seismic exploration of polymetallic sulfides in the Southwest Indian Ocean contract area of China.

Key words： Southwest Indian Ridge; deep-sea hydrothermal fields; rock acoustic properties; petrophysical measurements; P-wave velocity

Cite this article

JIE Tianyu , ZHOU Jianping , TAO Chunhui , WANG Hanchuang , LI Qianyu , WU Tao , LIU Long . Acoustic characteristics of rocks from the SWIR hydrothermal fields[J]. Journal of Marine Sciences, 2024 , 42(1) : 1 -12 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.01.001

0 引言

海底热液活动主要发生在大洋中脊、海底火山弧和弧后扩张中心。冷海水从洋壳的裂缝中向下渗入,经过岩浆等热源加热从围岩(以玄武岩、橄榄岩为主的洋壳岩石)中淋滤出铜、铁、锌等金属元素,再与海水发生化学交换与物质沉淀,形成了海底多金属硫化物。经过长久的热液活动可以形成较大规模的硫化物矿床,具有很大的勘探和开发潜力。我国多金属硫化物勘探合同区所在的西南印度洋中脊(Southwest Indian Ridge, SWIR)是典型的超慢速扩张洋中脊,已确认了十多处硫化物区。其中西南印度洋中脊玉皇热液区的硫化物矿床是世界上最大的块状硫化物矿床之一,并证实了超慢速扩张洋中脊最有可能形成大规模硫化物矿床[1]。
近年来,研究者为寻找海底硫化物矿床,通过重力、磁法、电法、地震等地球物理方法对SWIR进行了大规模勘探[2⇓⇓⇓-6]。其中,以近底地震为代表的海底地震探测方法在硫化物矿床范围刻画和结构成像中发挥了重要作用,并在当前海底硫化物勘探中获得广泛关注。岩石声学物理性质(后文简称物性)参数是海底地震数据反演建模和解译的基础,是海洋地震勘探的重要一环。例如,MURTON等[7]将TAG(Trans-Atlantic Geotraverse)热液丘钻孔岩石样品的物性和声速数据作为初始参考,结合海底地震反射和折射数据,为停止活动的海底块状硫化物矿床构建了通用模型,为硫化物资源评价提供了重要参考。开展海底热液区硫化物和围岩的声学特性研究,了解其影响机制,是当前硫化物近底地震勘探的重要内容。
前人研究表明,岩石声学特性呈现复杂性,且受多种因素的影响。密度和孔隙是影响岩石声速的重要原因。岩石的矿物组合则是影响其密度的重要因素。不同岩石的地震波速度对孔隙度的敏感性不同[8],同种岩石的不同形状孔隙和孔隙度对地震波速度的影响也不同[9]。SWIR热液区的声学物性研究基础薄弱,除大洋钻探计划(ocean drilling program, ODP)的钻孔数据分析[10]及TAO等[11]对少量硫化物和围岩的声学物性测量分析之外,尚且缺乏系统性的声学特性与矿物和围压关系的分析研究,近底地震勘探和硫化物资源评价受阻。为了更好地推进海底硫化物地震勘探,为硫化物矿床精准成像和资源评价提供数据支撑,本文对硫化物和围岩的地震纵波速度(P波速度)、体积密度、孔隙度和矿物含量进行了系统性的测量,以揭示SWIR热液区岩石的声学响应特征,为岩石的原位声学测量提供参考。

1 地质背景与样品

SWIR全长约8 000 km,完全扩张速率约为13~16 mm/a,属于典型的超慢速扩张洋中脊[12-13]。SWIR海底地形极为复杂,洋壳结构具有显著的不均一性,部分地区洋壳厚度仅4 km,远低于约7 km的洋壳平均厚度[14],而部分地区发育超厚洋壳[15]。洋中脊具有独特的岩浆-构造特征,SWIR热液循环过程和成矿作用复杂,可以分为岩浆控制型热液区和拆离断层控制型热液区,形成了不同类型的海底多金属硫化物矿床。研究区位于印度姆(Indomed)断裂带(46°E)和亚特兰蒂斯2号(Atlantis II)转换断层(57°E)之间,其中由加列尼(Gallieni)断层作为分界线可将研究区分为两部分。西侧部分是一个轴向高地,在超慢速扩张洋中脊里非常罕见。尽管超慢速扩张洋中脊岩浆总体供应不足,但这个区域的局部岩浆供应相对较强,发育了一系列热液区,并形成多金属硫化物[16]。而东侧部分的轴向深度稳步增加,表明洋中脊的岩浆供应向东逐渐减少[17-18]。研究区广泛分布玄武岩,且在发育拆离断层的区域内有侵入岩直接出露,例如龙旂热液区有蛇纹石化的橄榄岩,而在骏惠热液区发现辉长岩和辉绿岩。受到热液蚀变影响,硫化物周围的岩石存在不同程度的蚀变,呈现显著不同的物性特征。
在2014—2016年期间进行了4个大洋调查航次(DY125-30、DY125-34、DY125-39和DY125-40),通过电视抓斗和深海载人潜水器(human-occupied vehicle, HOV)在西南印度洋中脊的苏堤、白堤、玉皇、龙旂、断桥、东龙井、长白、骏惠、德纯等热液区采集到一系列样品,包括硫化物和玄武岩、蛇纹岩、辉长岩、辉绿岩等围岩样品(图1)。采样水深范围为1 527~3 692 m,其中硫化物来自玉皇、龙旂和断桥三处热液区。硫化物和围岩样品所在热液区包括了岩浆主控型和构造主控型,代表了不同成矿作用,具有典型性。
图1 硫化物及围岩样品位置

Fig.1 Location of sulfide and host rock samples

2 方法

为了系统研究岩石样品的物性和矿物成分,进行了一系列实验,包括通过X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)的矿物含量测量、综合矿物分析(TESCAN integ-rated mineral analyzer, TIMA)、密度测量、孔隙度测量和P波速度测量。

2.1 矿物分析

XRD矿物含量测量和TIMA分析在南京宏创地质勘查技术服务有限公司进行。将岩石研磨成粉末,通过K值法对样品进行XRD矿物含量测量,使用的仪器为德国Bruker AXS D8 X射线衍射仪,采样步宽为0.02°。将部分样品加工成光薄片并进行喷碳,然后进行TIMA分析,将测得的矿物成分差异与矿物数据库中的信息进行比较和匹配,可以确认矿物种类。实验中加速电压为25 kV,电流为9 nA,工作距离为15 mm,电流和背散射电子(back scattered electron, BSE)信号强度使用铂法拉第杯自动程序校准,能量色散光谱(energy dispersive spectroscopy, EDS)信号使用Mn标样校准。测试中使用解离模式,同时获取BSE图和EDS数据,每个点的X射线计数为1 000,像素大小为2.5 μm,能谱步长为7.5 μm。

2.2 物性参数测量

将样品切割成直径为25 mm,平均长度为46 mm的柱状样,端面切割并抛光至足够光滑,用于测量岩石的密度、孔隙度和P波速度。由于P波速度测量需要进行加压,会影响岩石的孔隙结构,因此先进行密度和孔隙度测量。密度测量在自然资源部第二海洋研究所物性实验室进行,采用阿基米德排水法测量岩石的饱水体积密度(简称饱水密度)。使用仪器为国产DK-300密度计,精度可达0.001 g/cm3。孔隙度和P波速度测量在中国地质大学(北京)进行。孔隙度测量采用氢流体的核磁共振弛豫机制原理,测量仪器为国产纽迈NMI20-030H-I核磁共振分析系统,主频率为21 MHz。P波速度测量采用声波透射法,通过国产SCMS-DS型高温高压岩心电声测量仪分别在0.1 MPa(即常压)、5 MPa、10 MPa、20 MPa和30 MPa围压条件下测量岩石的P波速度,频率为32 kHz。为了保证数据的准确性,测量前仪器均经过校正,并进行多次重复测量。

3 实验结果

3.1 岩石矿物组成

通过岩石矿物学分析确定岩性以及矿物成分和含量。结合手标本、镜下观察和XRD分析结果(表1)可知,研究区新鲜玄武岩主要矿物为斜长石(>68%),次要矿物为辉石(>10%)。而蚀变玄武岩样品主要受到硅化作用和绿泥石化作用,斜长石和辉石含量因蚀变作用显著下降,被蚀变矿物(石英和黏土矿物)所取代。蛇纹岩的主要矿物为蛇纹石,次要矿物为磁铁矿。侵入岩中,除蛇纹岩以外,其余数量较少,如辉绿岩、辉长岩等。辉绿岩为浅成岩,辉长岩为深成岩,两者矿物组成基本相当,因此在分析中将这些岩石一并归类为 “其他侵入岩”。辉绿岩和辉长岩与新鲜玄武岩的成分类似,斜长石含量较高,表1中的样品受到蚀变作用,部分辉石被角闪石交代。硫化物样品的主要矿物为黄铁矿,S2样品黄铁矿含量较低,仅含18.7%,为硫化物烟囱体。
表1 研究区部分岩石样品的矿物质量分数

Tab.1 Mineral mass fractions of selected rock samples in the study area单位:%

序号 样品类型 石英 斜长石 方解石 黄铁矿 蛇纹石 辉石 角闪石 磁铁矿 橄榄石 黏土矿物总量
B1 新鲜玄武岩 0 73.7 0 0 0 16.9 0 0 0 9.4
B2 新鲜玄武岩 0 84.2 0 0 0 10.1 0 0 2.0 3.7
B3 新鲜玄武岩 0 80.7 0 0 0 12.6 0 0 3.7 3.0
B4 新鲜玄武岩 0 68.6 0 0 0 20.1 0 0 11.3 0
B5 新鲜玄武岩 1.6 75.6 0 0 0 19.0 0 0 3.8 0
AB1 蚀变玄武岩 8.7 16.6 0 0 0 2.0 4.6 0 0 68.1
AB2 蚀变玄武岩 48.4 0 0 0 0 0 0 0 0 51.6
AB3 蚀变玄武岩 71.1 1.9 0 0 0 0 0 0 0 26.2
AB4 蚀变玄武岩 31.6 13.2 0 0 0 1.5 0 0 0 53.7
AB5 蚀变玄武岩 6.9 19.1 0 0 0 3.4 1.8 0 0 67.4
AB6 蚀变玄武岩 48.2 15.4 0 0 0 1.7 1.4 0 0 31.8
AB7 蚀变玄武岩 1.7 24.9 0 0 0 2.3 4.4 0 0 65.3
SR1 蛇纹岩 0 0 0 0 61.8 11.4 0 26.8 0 0
SR2 蛇纹岩 0 0 0 0 75.6 4.1 4.9 15.4 0 0
SR3 蛇纹岩 0 0 0 0 82.4 0 0 17.6 0 0
SR4 蛇纹岩 0 0 0 0 45.9 0 0 24.8 0 29.3
D1 辉绿岩 1.5 69.1 0 0 0 2.9 12.6 3.9 0 5.8
G1 辉长岩 1.2 66.8 0 0 0 4.1 19.7 3.2 0 2.5
G2 辉长岩 0.7 64.9 0 0 0 8.1 7.6 2.7 0 2.5
S1 硫化物 0 0 39.3 60.7 0 0 0 0 0 0
S2 硫化物 0 0 1.9 18.7 0 0 0 0 0 0
S3 硫化物 0 0 5.1 94.9 0 0 0 0 0 0
S4 硫化物 1.4 0 0 85.1 0 0 0 0 0 0
S5 硫化物 0.7 0 22.5 61.8 0 0 0 0 0 0

3.2 岩石物性与声学特性

3.2.1 岩石物性概况

不同类型的岩石物性存在一定差别(表2)。围岩样品饱水密度范围为2.51~2.97 g/cm3,孔隙度为0~3.69%。常压下新鲜玄武岩P波速度范围为4 911~6 552 m/s,蚀变玄武岩P波速度范围为3 968~6 754 m/s,蛇纹岩P波速度范围为4 529~5 289 m/s,辉长岩则普遍表现出更高的P波速度,范围为5 376~6 363 m/s。块状硫化物有更高的饱水密度(3.02~3.23 g/cm3)和孔隙度(9.65%~24.01%)以及较低的纵波速度(3 935 m/s,因硫化物质地松散导致仅测得1例硫化物样品的P波速度)。
表2 研究区岩石样品物性参数

Tab.2 Physical properties of rock samples in the study area

岩石类型 样品数量 数据统计 饱水密度/(g·cm-3) 孔隙度/% P波速度/ (m·s-1)
常压 5 MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa
新鲜玄武岩 74 平均值 2.85 0.60 5 826 5 914 5 932 5 991 6 045
最大值 2.93 3.69 6 552 6 589 6 626 6 651 6 762
最小值 2.68 0 4 911 5 058 5 136 5 249 5 343
标准差 0.05 0.87 360 329 347 337 328
蚀变玄武岩 19 平均值 2.69 1.37 4 929 5 166 5 054 5 114 5 162
最大值 2.96 2.76 6 754 6 828 6 929 7 033 7 086
最小值 2.51 0 3 968 4 044 4 097 4 150 4 178
标准差 0.12 0.69 841 915 831 835 829
蛇纹岩 4 平均值 2.58 0.13 4 945 5 007 5 068 5 105 5 134
最大值 2.63 0.30 5 289 5 324 5 383 5 431 5 467
最小值 2.54 0 4 529 4 632 4 712 4 914 4 785
标准差 0.04 0.14 362 337 326 326 326
辉长岩 3 平均值 2.91 0.28 5 812 5 988 5 990 6 076 6 195
最大值 2.97 0.84 6 363 6 568 6 732 6 816 6 962
最小值 2.81 0 5 376 5 407 5 471 5 537 5 638
标准差 0.09 0.49 503 821 659 663 687
硫化物(块状硫化
物和硫化物烟囱)		 5 平均值 2.93 20.02 3 935
最大值 3.23 28.72
最小值 1.80 9.65
标准差 0.56 6.57
不同类型岩石的P波速度存在一定交叉,但总体上存在区分度(图2)。P波速度平均值和中位数按由大到小顺序排列,结果一致,依次为其他侵入岩、新鲜玄武岩、蛇纹岩和蚀变玄武岩。蚀变玄武岩与蛇纹岩的声速较为接近,而新鲜玄武岩与其他侵入岩的P波速度较为接近,这可能是矿物成分接近以及蚀变作用的结果。
图2 不同类型岩石的P 波速度箱线图

Fig.2 P-wave velocity box line diagrams of different rocks

3.2.2 P波速度-密度-孔隙度的相关性

P波速度受到饱水密度和孔隙度的综合影响,与饱水密度呈正相关,与孔隙度呈负相关,而饱水密度与孔隙度之间也存在负相关关系(图3)。在不同大小饱水密度与孔隙度的组合下,岩石呈现不同大小的P波速度(表2)。辉长岩和新鲜玄武岩具有较高的平均饱水密度(分别为2.91 g/cm3和2.85 g/cm3)和较小的平均孔隙度(分别为0.28%和0.60%),因此两者在常压下的平均P波速度(分别为5 812 m/s和5 826 m/s)大于蚀变玄武岩的平均P波速度(4 929 m/s),后者具有更低的平均饱水密度(2.69 g/cm3)和更大的平均孔隙度(1.37%)。从P波速度(常压)的范围来看,新鲜玄武岩和蚀变玄武岩基本以5 000 m/s作为区分。本研究样品中仅3例蚀变玄武岩P波速度超过6 100 m/s,原因是饱水密度较大(分别为2.96 g/cm3、2.87 g/cm3和2.81 g/cm3),样品蚀变程度很低,可以近似视为新鲜玄武岩。PLANKE等[19]研究发现,基本未蚀变的玄武岩的饱水密度范围为2.8~2.9 g/cm3, 常压下P波速度范围为5 500~6 000 m/s,与本文结果较为吻合。
图3 研究区围岩P波速度-饱水密度-孔隙度的相关性

Fig.3 Correlation of P-wave velocity, saturated density and porosity of the host rocks in the study area

SWIR热液区围岩总体的P波速度与饱水密度呈现较强的正相关性(图4)。蚀变玄武岩的P波速度与饱水密度的线性拟合程度较高(R2=0.81),而新鲜玄武岩的数据点较为离散(R2=0.17)。
图4 研究区岩石样品P波速度与饱水密度的相关性

Fig.4 Correlation between P-wave velocity and saturated density of the rock samples in the study area

与围岩不同,海底硫化物是经过热液活动后沉淀的产物,质地松散,存在大量孔隙。结合已有的硫化物数据和TAO等[11]测得的SWIR热液区硫化物样品数据,发现其饱水密度和孔隙度有较强的负相关性(图5)。块状硫化物与硫化物烟囱体、围岩存在明显的饱水密度和孔隙度的区分。块状硫化物富含高密度黄铁矿,岩石密度整体较高;而硫化物烟囱体矿物含量较低,孔隙度较高(>25%),因此饱水密度较低(<2.4 g/cm3)。
图5 硫化物饱水密度与孔隙度的相关性

(部分硫化物数据来源于文献[11]。)

Fig.5 Correlation between saturated density and porosity of sulfides

(Partial data are from reference[11].)

3.2.3 P波速度-矿物学的相关性

对新鲜玄武岩、蚀变玄武岩、蛇纹岩和辉长岩四种围岩进行了TIMA分析,以了解岩石矿物成分、含量和孔隙分布。
从镜下可以观察到新鲜玄武岩B5号样品含有斜长石、透辉石和橄榄石等矿物,具有明显的杏仁构造,其内有少量白云石、方解石等碳酸盐矿物充填,薄片上分布着大小不一的气孔,这些气孔尚未被蚀变矿物充填(图6a)。XRD分析结果表明,其斜长石含量为75.6%,辉石含量为19.0%,这说明该玄武岩样品的蚀变程度较低。从该样品的饱水密度(2.83 g/cm3)和常压下P波速度(5 545 m/s)两项数据来看,也可认为该玄武岩样品足够“新鲜”。
图6 部分岩石样品的TIMA矿物相图

Fig.6 TIMA phase map of the partial rock samples

蚀变玄武岩AB3号样品存在脉状构造特征(图6b),其石英含量为71.1%,绿泥石含量为26.2%,表明其受硅化蚀变作用影响显著,该岩石样品的饱水密度(2.61 g/cm3)和常压下P波速度(4 883 m/s)显著低于新鲜玄武岩。
蛇纹岩SR3号样品薄片上有明显的孔隙和裂纹(图6c),其蛇纹石含量为82.4%。该样品的饱水密度(2.58 g/cm3)和常压下P波速度(4 757 m/s)均较低。
辉长岩G2号样品主要矿物为斜长石,含有少量辉石和钛铁矿,部分辉石被蚀变为阳起石(图6d),其饱水密度(2.97 g/cm3)和常压下P波速度(6 363 m/s)处于辉长岩的正常范围。

3.2.4 P波速度-围压的相关性

为了模拟岩石在海底的压力环境,研究岩石原位声学特性,我们分析了不同围岩在不同围压条件下的P波速度,发现这些岩样的P波速度变化趋势相似,随着围压的增加,P波速度保持上升趋势,最后趋于平缓(图7)。
图7 研究区岩石样品P波速度与围压的相关性

Fig.7 Correlation between P-wave velocity and confining pressure of rock samples in the study area

将两个连续围压水平下测得的P波速度之差除以最大P波速度值定义为P波速度变化幅值,用于描述P波速度变化的快慢,例如(v20-v10)/v20,其中v20和v10分别是样品在20 MPa和10 MPa围压下的P波速度。分析发现P波速度变化幅值-围压的指数趋势线与数据拟合良好,图8列举了其中3例样品的拟合曲线,由此可以得到如下样品P波速度和围压的关系:
d v d P=Ae-BP
式中:v为P波速度,P为围压,dv/dP为P波速度v对围压P的求导,A、B为回归系数,e为自然常数。
图8 研究区岩石样品P波速度变化幅值与围压的相关性

Fig.8 Correlation between P-wave velocity gradient and confining pressure of rock samples in the study area

将上述方程积分即可得到方程:
v=a-be-cP
式中:v为P波速度,P为围压,a、b、c为回归系数,e为自然常数。

4 讨论

4.1 物性特征对P波速度的直接影响

孔隙度是影响地震波在岩石中传播的重要因素之一,理论上波速随孔隙度的增加而降低,这是由于孔隙度的增加降低了岩石骨架的弹性模量[20]。SWIR热液区表层玄武岩孔隙度较小,普遍小于4%,与P波速度呈较弱的负相关性。由于孔隙对P波速度的影响除孔隙度外,很大一部分贡献来自于孔隙的几何形状(裂缝纵横比)[9,21⇓⇓-24],因此研究区表层岩石的P波速度与孔隙度不能用简单的线性关系表示。
在本研究区与ODP Site 864[25]使用抓斗获得的玄武岩均是海底表层样品,呈现小孔隙度特征。而大洋钻探结果发现洋壳第二层上部存在高孔隙度层[26⇓⇓-29],这表明洋壳表层和深部玄武岩物性存在一定差异。对比不同地区钻孔和表层数据发现(图9),表层玄武岩(SWIR热液区和ODP Site 864)的P波速度-饱水密度数据比深部钻孔玄武岩(504B和U1301)的更为分散,拟合度更低[25,29-30]。这是由于洋壳第二层上部存在高孔隙度层,该层玄武岩的高孔隙度直接影响了岩石体积密度,降低了P波速度,加强了P波速度与密度的相关性。
图9 玄武岩P波速度与饱水密度的相关性

(SWIR数据为本文测试结果;U1301数据来自文献[29];504B数据来自文献[30];ODP Site 864数据来自文献[25]。)

Fig.9 Correlation between P-wave velocity and saturated density of basalts

(The data of SWIR is the test result of this article; the data of U1301 are from reference [29]; the data of 504B are from reference [30]; the data of ODP Site 864 are from reference [25].)

与玄武岩不同,硫化物具有较高的孔隙度,对其体积密度和P波速度有较大影响[11,21-22,28]。孔隙度大于20%的硫化物其P波速度基本小于4 000 m/s(图10),与围岩有明显区分。TAG热液丘硫化物与SWIR硫化物均含有高密度黄铁矿,但除此之外,TAG硫化物还含有一定量的硬石膏和石英填充,这是造成其孔隙度较低(<10%)的原因[28]。
图10 不同区域的块状硫化物饱水密度(a)和孔隙度(b)与P波速度的相关性

(SWIR研究区部分数据来自文献[11];TAG研究区数据来自文献[28];EPR和OT研究区数据来自文献[26];研究者Spagnoli的全球数据来自文献[21]。)

Fig.10 Correlation between saturated density (a) and porosity (b) with P-wave velocity of massive sulfides in different study areas

(Partial data of SWIR study area are from reference [11]; the data of TAG study area are from reference [28]; the data of EPR and OT study area are from reference [26]; the global data of researcher Spagnoli are from reference [21].)

不同类型岩石的P波速度存在一定交叉,联合其他物性参数作为指标有助于对岩性进行细分。研究区新鲜玄武岩、蚀变玄武岩和蛇纹岩的P波速度范围都在4 500~5 500 m/s内,其中新鲜玄武岩饱水密度普遍高于2.80 g/cm3,蚀变玄武岩饱水密度为2.51~2.96 g/cm3,蛇纹岩饱水密度低于2.63 g/cm3,三种岩石的饱水密度有明显区分度。另外,联合磁性、电性等参数测量手段也有助于岩性区分。研究表明,新鲜玄武岩和蚀变玄武岩的磁化率存在一定差异[23],通过岩石磁性有利于判断热液蚀变[24];而电性参数可用于区分玄武岩和蛇纹岩,前者极化率小于0.1,后者极化率普遍大于0.1[31]。

4.2 蚀变作用对岩石物性和P波速度的影响

低孔隙度的新鲜玄武岩样品体积密度变化小,P波速度变化范围也较小,这是由于其矿物成分相似且含量接近,主要是斜长石和辉石;而不同蚀变程度的玄武岩,其矿物成分和含量以及孔隙度发生了不同程度的变化,导致其P波速度大小受到显著影响。
本研究中的蚀变玄武岩样品大部分来自龙旂热液区。由于受到大型拆离断层构造控制,龙旂热液区的洋壳裂隙较为发育,海底表面的岩石发生了不同程度的碎裂变形和变质作用,因此蚀变玄武岩样品中有大量碎裂蚀变玄武岩和强蚀变玄武岩(玄武质角砾岩)。在应力作用和热液蚀变作用下,玄武岩中的原岩矿物会被石英(硅化作用)、绿泥石(绿泥石化作用)等矿物取代。
蚀变矿物呈脉状及环带结构分布于岩石中,往往表示其受到了中-高程度的蚀变,例如图6b中的AB3号样品,由于原岩矿物被大量低密度石英和部分较高密度绿泥石交代,该样品密度大大降低,其P波速度也明显降低。同样地,AB2号样品也含有大量石英和绿泥石矿物,说明硅化作用和绿泥石化作用均对该玄武岩样品造成显著影响,形成大量低密度的石英,因此其饱水密度(2.51 g/cm3)和常压下P波速度(3 968 m/s)远低于新鲜玄武岩和蚀变程度较低的玄武岩。这表明,石英矿物对岩石P波速度的减缓贡献显著。
而AB1号样品绿泥石化程度较高,但其饱水密度(2.68 g/cm3)和常压下P波速度(5 293 m/s)只略低于一般的新鲜玄武岩。这是由于在蚀变过程中,辉石被大量绿泥石和少量角闪石交代,少量斜长石被石英交代。较低密度的石英含量较少,而较高密度的绿泥石含量大,混淆了蚀变作用的影响,最终导致岩石密度略微降低。
蚀变程度影响着岩石的密度和P波速度。随着蚀变矿物的增加,原岩矿物(斜长石)减少,岩石密度减小,P波速度下降(图11)。结合图3 分析,可以确定P波速度低于5 000 m/s的蚀变玄武岩,其蚀变矿物总量高于80%,斜长石含量低于20%,饱水密度低于2.70 g/cm3。
图11 蚀变玄武岩饱水密度(a)和P波速度(b)与矿物含量的相关性

Fig.11 Correlation between saturated density (a) and P-wave velocity (b) with mineral content of altered basalts

除玄武岩之外,受到蚀变影响的辉长岩和蛇纹岩P波速度也低于原岩。研究区辉长岩样品发生了蚀变,含有一定量的磁铁矿和角闪石等蚀变矿物。CARLSON等[32]提出大洋辉长岩声速明显受到矿物成分影响,较高的声速对应较高的辉石含量和较低的蚀变程度(页硅酸盐和角闪石含量低),在典型P波速度范围内蚀变矿物含量为5%~15%。对比表1中G1和G2辉长岩样品,G1样品的蚀变程度较高(角闪石含量为19.7%),其P波速度显著低于典型的辉长岩,而G2样品对应更高的辉石含量、更低的角闪石含量和更高的P波速度,这与CARLSON等[32]的结论相符。早期研究发现,蛇纹岩的P波速度明显低于未蚀变的橄榄岩和纯橄榄岩[33]。橄榄岩因热液蚀变作用被蛇纹石化,变为蛇纹岩,产出丰富的蛇纹石(低密度)和一定量的磁铁矿,极大地降低了岩石的强度[34-35],因此蛇纹岩的饱水密度和P波速度普遍较低。
蚀变作用对岩石物性和P波速度均有一定程度影响。蚀变作用改变了岩石的矿物组成,蚀变矿物的密度往往低于原生矿物,因此随着蚀变程度的加深,岩石密度逐渐减小,P波速度也随之降低。

4.3 围压对孔隙和P波速度的影响

本研究中围岩P波速度与围压拟合结果得到的方程(2)与KHAKSAR等[36]推导出的砂岩P波速度和围压的相关方程一致。同样以指数关系表示P波速度和围压关系的经验方程[37⇓-39]还有:
v=a+bP-ce-dP
式中:v表示P波速度,P表示样品围压,a、b、c、d表示通过统计分析评估的最佳拟合系数。
选取40个岩石样品,对比方程(2)和方程(3)的拟合相关系数R2(表3)可知,方程(2)的拟合度更高(R2均大于0.9),可以很好地定量描述岩石样品的P波速度与围压的关系。方程(2)中,a表示岩石骨架的P波速度,与岩石的矿物含量有关;a-c表示围压为0时的P波速度;c为微裂缝闭合率,随着围压的增加,微裂缝逐渐闭合。
表3 方程(2)和(3)的相关系数R2以及方程(2)的回归系数a,b,c

Tab.3 The correlation coefficient R2 of equation (2) and (3) and the regression coefficient a, b, c of equation (2)

数据统计 方程(3) 方程(2)
R2 R2 a b c
平均值 0.935 0.991 6 053 317 0.05
最大值 0.990 0.998 7 189 1 037 0.13
最小值 0.822 0.991 4 781 111 0.01
标准差 0.047 0.003 491 175 0.03
前人将岩石P波速度与围压的正相关性归因于孔隙体积的减小和宏观、微观裂纹的闭合[40],微裂缝的闭合增加了岩石矿物之间的接触,增加了岩石的刚性。WILKENS等[9]通过Kuster-Toksöz(KT)理论发现,较小的裂缝被蚀变矿物填充或受到压力闭合可以大幅度提高P波速度,这合理解释了加压前期P波速度明显增大的现象。因此,围压对P波速度的贡献主要在于闭合了孔隙。而拟合结果表明,SWIR热液区围岩P波速度与围压的相关性与砂岩一致。

5 结论

本文对西南印度洋中脊热液区海底表面硫化物及围岩等样品开展了物理性质(密度、孔隙度、P波速度)和矿物含量测量,分析不同因素之间的关联性以及对岩石声学性质的影响,并通过改变岩石围压条件,分析岩石声速特性对不同大小围压的响应,主要结论如下。
1)岩石矿物骨架和孔隙的共同作用影响了P波速度,相比深部岩石,SWIR热液区表层岩石受到孔隙度影响较小。硫化物受到孔隙和矿物的共同影响,P波速度远小于未蚀变围岩,略低于蚀变围岩。
2)热液区内造成同类岩石密度改变的根源性因素是蚀变作用,且硅化作用的影响往往大于绿泥石化作用。
3)SWIR热液区围岩P波速度与围压的非线性关系与砂岩一致。随着围压增大,岩石孔隙闭合,P波速度无限接近于岩石骨架的P波速度。
4)P波速度测量结果可能存在多解性,结合密度、磁性和电性等多物性参数联合测量,可以更好地对SWIR热液区不同类型的岩石进行区分。
本文通过对SWIR热液区表层岩石物性和矿物学的研究,对其声学特性及影响规律有了系统性认识。该研究成果对于硫化物探测具有参考意义,有利于提高深海近底地震勘探区分硫化物和围岩的可行性。

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