田雨杭 , 陳忠 , 黃蔚霞 , 侯正瑜 , 顏文 , 王雪松

1. 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室, 南海海洋研究所, 南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301;

2. 中國科學院大學, 北京 100049;

3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458

珊瑚礁發(fā)育于熱帶海洋環(huán)境, 是以造礁珊瑚的石灰質骨骼為主體, 與珊瑚藻、仙人藻、軟體動物殼、有孔蟲等鈣質生物混合堆積, 并經(jīng)過漫長的地質作用而形成的一種巖石體(楊永康 等, 2016; 余克服, 2018)。珊瑚礁在巖石學上統(tǒng)稱為珊瑚礁灰?guī)r(簡稱礁灰?guī)r), 是具有復雜巖性組構及結構類型的巖石, 表現(xiàn)出獨特的工程地質屬性(中國科學院南沙綜合科學考察隊, 1997a; 趙煥庭 等, 2014)。同時, 由于具有復雜的孔隙或裂隙結構, 礁灰?guī)r可作為油氣運移通道或油氣儲層(張小莉 等, 2007), 在油氣勘探中具有重要的研究價值。相關研究表明, 礁灰?guī)r的孔隙度和孔隙結構介于頁巖和沉積物之間, 礁灰?guī)r中微孔隙的結構、大小、剛度、接觸關系及分布均影響著礁灰?guī)r的聲學特性(Eberli et al, 2003; Rezaei et al, 2019)。在礁灰?guī)r的發(fā)育和形成過程中, 埋藏作用、膠結作用和成巖作用可改變礁灰?guī)r的孔隙或裂隙結構及充填結構, 增強灰?guī)r骨架的剛度, 對聲波傳播的路徑產(chǎn)生較大的影響(Silva et al, 2019), 從而導致礁灰?guī)r表現(xiàn)出更高的彈性波速特性(Bathurst, 1993)。

我國對南海礁灰?guī)r的聲學研究起步較早, 上個世紀90 年代中國科學院南沙綜合科學考察隊(1992)出版了關于南海南沙群島礁灰?guī)r孔隙度、密度及其聲學測試與研究的論著, 部分學者也發(fā)表了有關點礁或礁坪淺層工程鉆的巖心聲學數(shù)據(jù)(孫宗勛 等, 1999; 王新志, 2008)。其中, 孫宗勛等(1999)研究了南永1 井鉆孔中152.08m 以淺礁灰?guī)r縱波波速的變化規(guī)律及其與礁灰?guī)r結構、孔隙度、沉積環(huán)境和地質事件等的關系; 李趕先等(2001)根據(jù)縱波波速曲線的變化, 對南永1 井152.08m 以淺地層中的沉積環(huán)境和地質事件進行了識別。近年來, 楊永康等(2016)通過對西沙群島小于50m 的礁灰?guī)r淺鉆樣品的聲學參數(shù)和物理力學參數(shù)進行測試和分析, 建立了礁灰?guī)r聲學特性和物理性質的回歸方程, 結果表明礁灰?guī)r的聲學特性與其物理性質具有密切關系; 鄭坤等(2019)對南沙群島某礁體鉆孔106.4m 以淺不同結構類型礁灰?guī)r的彈性波特性開展了研究, 提出了利用聲波波速識別礁灰?guī)r結構并劃分穩(wěn)定性類型的方法。然而, 由于礁灰?guī)r分布一般遠離大陸, 樣品采集困難, 因此對礁灰?guī)r, 尤其是深鉆井巖心礁灰?guī)r的聲學特性及其影響因素的研究仍較薄弱, 進而影響了對礁灰?guī)r聲學特性的認識及其在島礁工程建設中的應用。

本文選取南沙海區(qū)某島礁深鉆中10 個典型的礁灰?guī)r樣品, 測定其縱波波速和孔隙度、密度參數(shù); 結合前人研究資料, 分析縱波波速與孔隙度、密度的關系; 根據(jù)X-CT 層析掃描儀獲得的礁灰?guī)r三維孔隙結構特征, 探討孔隙度和密度變化的原因, 進而揭示影響和制約縱波波速的因素。研究結果有助于深入了解礁灰?guī)r的聲學特性, 并促進其工程應用, 因此對島礁穩(wěn)定性評價和島礁工程建設具有重要意義。

1 樣品特征和測試

1.1 樣品來源及特征

對南永1 井珊瑚礁巖心的研究表明, 永暑礁經(jīng)歷了三次沉積旋回而形成, 不同深度的礁灰?guī)r形成于外礁坪、內礁坪、瀉湖坡和瀉湖盆等不同的動力環(huán)境, 埋藏后經(jīng)受了重結晶和白云巖化等成巖作用(中國科學院南沙綜合科學考察隊, 1992)。本文選取的10 個巖心樣品(圖1)來自南沙海區(qū)某珊瑚礁鉆孔的51.41～886.45m, 該礁體的形成環(huán)境和演化階段與永署礁較為相似。

巖心樣品呈乳白色或暗灰色, 發(fā)育有不規(guī)則的孔隙及少量縫隙。根據(jù)手標本并結合顯微鏡觀察, 確定巖石的礦物以方解石和白云石為主, 其中2、3、4 號樣品的白云石礦物質量分數(shù)占55%以上, 9號和10 號樣品中高鎂方解石和低鎂方解石含量相近, 其余樣品以低鎂方解石為主, 質量分數(shù)占66%以上。

1.2 樣品測試

將礁灰?guī)r樣品制備成高為100～120mm 的柱體(圖1), 依據(jù)《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266- 2013)相關規(guī)定, 樣品在80℃溫度下恒溫烘干72h, 然后放在干燥皿中冷卻后測試。

圖1 礁灰?guī)r樣品及其外形特征 Fig.1 Photo of coral reef limestone samples

在實驗室常溫常壓環(huán)境下(23℃, 101.325kPa), 采用透射法對各礁灰?guī)r樣品沿同一方向進行縱波波速測試, 測試設備為WSD-3 數(shù)字聲波儀, 頻率為100kHz(圖 2), 采樣長度為 4096 點, 采樣間隔為0.1μs, 聲時精度優(yōu)于0.1%。用游標卡尺測量礁灰?guī)r長度, 誤差在±0.02%內。礁灰?guī)r樣品縱波波速vp(單位: m·s–1)的計算公式如下:

式中: L 為巖心長度(單位: m); t 為聲波在巖心中傳播的時間(單位: s); t0為儀器系統(tǒng)換能器滯后延時的時間(單位: s)。根據(jù)對礁灰?guī)r縱波波速的多次測量, 測試誤差在±5m·s–1范圍內。

圖2 礁灰?guī)r1 號樣品的聲波波形(a)及主頻分析(b) Fig.2 Acoustic wave form and spectrum analysis of sample #1

礁灰?guī)r孔隙度的測試在自然資源部中國地質調查局青島海洋地質研究所采用CT 圖像法完成, 所用的CT 設備為GE 公司生產(chǎn)的Phoenix v-tome-x 型, 電子束最高電壓為182kV, 探測最大面積為20cm×20cm, 分辨率為1～2μm(李晨安 等, 2017)。礁灰?guī)r的密度通過重量-體積方法測定, 在中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室完成, 相對誤差小于1%。

2 結果與討論

2.1 礁灰?guī)r的孔隙度和密度特征

珊瑚礁的物理特性與沉積環(huán)境密切相關, 但隨著埋藏深度的增加, 珊瑚礁會經(jīng)受各種成巖作用(如重結晶作用、白云巖化作用、溶蝕作用), 這些成巖作用也可交替發(fā)生(王瑞 等, 2017)。在成巖作用過程中, 不穩(wěn)定的文石轉變?yōu)榉€(wěn)定的方解石, 原生孔隙結構演變?yōu)榇紊紫督Y構, 從而改變巖心的彈性波屬性。彈性波速、孔隙度和密度是礁灰?guī)r主要的聲學參數(shù), 三者能夠定量地反映巖心的聲學特征, 因此也是建立礁灰?guī)r彈性波動理論模型的重要參數(shù)(舍恩, 2016)。

本文的礁灰?guī)r彈性波速、孔隙度及密度測試結果見表1。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)顯示, 本次測試的礁灰?guī)r孔隙度變化范圍為1.47%～17.70%, 平均值為7.13%?？紫抖茸兓秶确冻?2018)對某礁灰?guī)r鉆孔43m以淺巖心測定的孔隙度范圍要大, 但較南沙海區(qū)南永1 井礁灰?guī)r(1.68%～29.02%)(中國科學院南沙綜合科學考察隊, 1992)、南沙群島某島礁鉆孔106.4m 以淺礁灰?guī)r(0.95%～32.84%)(鄭坤 等, 2019)和西沙海 區(qū)淺鉆礁灰?guī)r(5.81%～36.33%)(楊永康 等, 2016)的孔隙度范圍略小(圖3a)。與南海以外的其他地區(qū)相比(Anselmetti et al, 1997; Assefa et al, 2003; Regnet et al, 2015; 王子振, 2016; 焉力文, 2018; 唐鄭元, 2019; Cheng et al, 2019), 本文所測定的礁灰?guī)r孔隙度數(shù)據(jù)也基本屬于偏小級別(圖3a)。此外, 由圖3a可知, 各地區(qū)礁灰?guī)r的孔隙度差異較大。珊瑚礁堆積后隨著埋藏深度的增加, 上覆壓力作用增強, 沉積碎屑之間的孔隙變小, 并在壓溶作用下逐漸形成穩(wěn)定的方解石或白云石, 充填在骨架顆粒的孔隙內, 從而使礁灰?guī)r結構變得更加致密(Bathurst, 1987)。前已述及, 本研究測試的巖心樣品中含有方解石和白云石, 它們可能是埋藏作用(樣品孔深范圍為51.41～886.45m)下生成的礦物, 并充填于礁灰?guī)r原有的孔隙中, 因此實驗測定的孔隙度相對較小。

表1 礁灰?guī)r樣品的縱波、橫波波速與孔隙度、密度測試結果 Tab. 1 P-wave velocity, S-wave velocity, porosity, and density of the coral reef limestones analyzed

圖3 南沙、西沙珊瑚礁與其他地區(qū)碳酸鹽巖的孔隙度(a)和密度(b)對比 Fig.3 Comparison of porosity and density characteristics of coral reefs in the South China Sea with carbonate rocks from other regions

本文對10 個礁灰?guī)r樣品測定的密度變化范圍為2.07～2.72g·cm–3(表1), 平均值為2.42g·cm–3?？傮w比南沙群島某島礁坪礁灰?guī)r的密度大(王新志, 2008), 并位于南沙群島某礁體鉆孔106.4m 以淺的礁灰?guī)r密度變化范圍之內, 但較之致密(鄭坤 等, 2019)(圖3b); 與南永1 井(2.60～2.84g·cm–3)(中國科學院南沙綜合科學考察隊, 1992)、南沙某島礁淺鉆(2.22～2.64g·cm–3)(范超, 2018) 相比(圖3b), 本文測定的深鉆礁灰?guī)r密度變化范圍相對較大; 與西沙海區(qū)的礁坪灰?guī)r(1.16～2.09g·cm–3)(王新志, 2008)相比, 本文所測密度值要大得多, 但均位于西沙淺鉆的礁灰?guī)r密度變化范圍內(1.10～2.92g·cm–3)(楊永康 等, 2016)。此外, 本文測定的礁灰?guī)r密度與其他地區(qū)的碳酸鹽巖密度大多較為接近(Assefa et al, 2003; 孟慶山 等, 2005; 王子振, 2016; 焉力文, 2018; Cheng et al, 2019)(圖3b), 只是總體上比佛羅里達群島的礁灰?guī)r密度(Anselmetti et al, 1997)要大。圖3b 的礁灰?guī)r密度對比表明, 不同地區(qū)和成因的碳酸鹽巖, 其密度差異較大, 這主要取決于巖石的礦物成分和孔隙發(fā)育程度(曹曉初 等, 2019)。礁灰?guī)r沉積埋藏后, 在壓實作用達到一定程度之前, 孔隙度是密度的重要影響因素; 當壓實致密效應開始出現(xiàn)后, 礁灰?guī)r中的礦物成分對密度的影響越來越明顯, 但即使礦物成分相同的礁灰?guī)r, 其密度也可能在一個較大的范圍內變化(中國科學院南沙綜合科學考察隊, 1997b)。

2.2 礁灰?guī)r的縱波波速特征

前人對南沙海區(qū)礁灰?guī)r的縱波波速變化已開展了較多的研究(圖4)。本文測試的礁灰?guī)r縱波波速范圍為5104～5958m·s–1, 平均值為5375m·s–1, 介于前人對南沙海區(qū)礁灰?guī)r測定的縱波波速變化范圍內(中國科學院南沙綜合科學考察隊, 1992; 孫宗勛 等, 1999; 王新志, 2008; 范超, 2018; 鄭坤 等, 2019); 總體較南沙礁區(qū)內的點礁(2156～3696m·s–1)(孫宗勛 等, 1999)和礁坪(2224～4337m·s–1)(王新志, 2008)波速大; 同時也比西沙海區(qū)目前已報道的礁灰?guī)r縱波波速大(圖4)。此外, 本文所測礁灰?guī)r的縱波波速與巖溶地區(qū)碳酸鹽巖(5153～6533m·s–1)(孟慶山 等, 2005)和鄂爾多斯碳酸鹽巖(5037～6286m·s–1)(Cheng et al, 2019)的縱波波速相近(圖4), 暗示著它們可能具有相似的波速影響因素。各地區(qū)之間礁灰?guī)r的縱波波速差異較大, 表明縱波波速與孔隙度、密度一樣, 也具有區(qū)域性特點。

2.3 礁灰?guī)r縱波波速影響因素分析

已有研究表明, 孔隙度和孔隙類型是決定礁灰?guī)r聲波波速的重要因素(Anselmetti et al, 1993; Baechle et al, 2005; 王新志 等, 2008; Wang et al, 2015b)。聲波在巖石傳播過程中, 遇到形狀不規(guī)則的孔隙、裂隙和孔洞時會經(jīng)過多次反射和折射, 致使聲波波速降低(Baechle et al, 2004; Wang et al, 2015a)。

圖4 南沙、西沙珊瑚礁與其他地區(qū)碳酸鹽巖的縱波波速對比 Fig.4 Comparison of P-wave of coral reefs in the South China Sea with carbonate rocks from other regions

然而, 碳酸鹽巖孔隙結構異常復雜, 非均質性顯著。盡管孔隙度是影響聲波的重要因素, 但孔隙結構差異也可造成速度-孔隙度關系呈無規(guī)律變化(王子振, 2016)。王子振(2016)按照孔隙形狀和孔隙剛度將碳酸鹽巖孔隙劃分為粒間、裂隙、溶孔三大類型: 1) 裂隙類孔隙, 孔隙縱橫比小于0.02, 易于壓縮變形; 2) 溶洞、溶孔、鑄?？? 孔隙縱橫比大于0.6, 剛性強, 不易變形; 3) 粒間孔、晶間孔, 孔隙縱橫比為0.1～0.4, 孔隙剛度居中。在孔隙度相同的情況下, 裂縫等“軟”孔隙使碳酸鹽巖縱波速度異常低; 溶洞、鑄模孔等“硬”孔隙則使碳酸鹽巖縱波速度異常高(圖5)。

圖5 礁灰?guī)r的縱波波速隨孔隙度的變化關系圖[據(jù)王子振(2016)修改] Fig.5 Relation between P-wave and porosity of coral reef limestone

根據(jù)圖5 所示, 本文所測礁灰?guī)r樣品的縱波波速基本隨孔隙度增大而減小, 與南沙某島礁淺鉆礁灰?guī)r的縱波波速變化較相似(范超, 2018), 而不同于南沙海域另一鉆孔106.4m 以淺(鄭坤 等, 2019)及南永1 井152.08 m 以淺(李趕先 等, 2001)的礁灰?guī)r縱波波速變化?？紫抖仁翘妓猁}巖縱波變化的重要控制因素(Baechl et al, 2005; 李月, 2007), 但孔隙類型對縱波特性也會產(chǎn)生重要影響。在本文測試的樣品中, 3 號樣品溶孔類孔隙增多, 導致其縱波波速比粒間類孔隙樣品的波速顯著增高, 1、5、7 號樣品基本沿粒間孔隙縱波變化曲線分布, 其余樣品的縱波波速變化在一定程度上受到裂隙類孔隙增加的影響。由圖5 還可發(fā)現(xiàn), 4 號和10 號樣品的孔隙度相近(表1), 但10 號樣品的縱波波速比4 號樣品小了約6%(359m·s–1), 這可能與4 號樣品中的裂隙類孔隙較多有關(圖6)。對碳酸鹽巖孔隙結構的模擬實驗研究發(fā)現(xiàn), 在孔隙度相等條件下, 孔隙類型對聲波波速產(chǎn)生較大影響(Baechl et al, 2009; Hu et al, 2018)。綜上所述, 孔隙度和孔隙結構類型是影響南沙鉆孔礁灰?guī)r縱波波速的主要因素。

圖6 3 號、4 號、10 號樣品的三維孔隙結構圖 圖中右下角數(shù)字為樣品編號 Fig.6 The 3D pore structure of samples #3, #4, and #10

2.4 礁灰?guī)r波速在巖體結構判別中的作用

珊瑚島礁是珊瑚碎屑沉積和壓實作用的綜合體, 其聲波特征反映了巖體的巖性、物理性質、孔隙度和孔隙結構等重要信息, 其中礁灰?guī)r巖體結構是影響礁體穩(wěn)態(tài)的重要因素。在工程地質學上, 礁灰?guī)r的橫波波速(vs)與縱波波速(vp)比值可用于對巖體的完整性、穩(wěn)定性和堅固性進行判別和分類(趙明階 等, 2000)。當vs/vp小于0.3 時, 礁灰?guī)r巖體為松散的破碎結構; 當vs/vp介于0.3～0.6 時, 礁灰?guī)r巖體為層狀結構; 當vs/vp大于0.6 時, 礁灰?guī)r巖體為固結的巖體(孫宗勛 等, 1999)。本文測定的礁灰?guī)rvs/vp為0.48～0.65, 主要分布在層狀巖體和固結巖體的區(qū)域, 與孟慶山等(2005)測定的巖溶區(qū)石灰?guī)r、白云巖數(shù)據(jù)分布域較接近(圖 7), 也與鄂爾多斯碳酸鹽巖(Cheng et al, 2019)和古塔東城碳酸鹽巖高聲速段(唐鄭元, 2019)的分布域較為接近, 但與南沙海區(qū)其他礁灰?guī)r(中國科學院南沙綜合科學考察隊, 1992; 孫宗勛 等, 1999; 王新志, 2008)以及西沙海區(qū)礁灰?guī)r的分布域(王新志, 2008)明顯不同。由于固結巖體和層狀巖體比破碎巖體的穩(wěn)定性好、強度大, 而本文所測樣品均位于層狀巖體和固結巖體的區(qū)域內, 表明本文研究鉆孔所在的礁體結構致密、穩(wěn)定性強, 這與鉆孔揭示的實際巖性特征是比較一致的。因此, 通過對比礁灰?guī)r的縱波、橫波速度變化能有效地推測巖體的結構和穩(wěn)定性特征, 為珊瑚島礁工程建設的穩(wěn)定性評估提供安全可靠的技術支撐。

3 結論

本文通過對南沙海區(qū)某深鉆礁灰?guī)r的縱波波速、密度和孔隙度測試與分析, 討論了成巖作用對孔隙度和密度的影響以及縱波速度的主要控制因素, 獲得了以下認識:

圖7 碳酸鹽巖縱波波速和橫波波速的關系及其巖體結構 Fig.7 Relation between P-wave and S-wave velocities in coral reef limestone and rock mass structure

1) 南沙群島礁灰?guī)r的孔隙度變化范圍為1.47%～17.7%, 密度變化范圍為2.07～2.72g·cm–3, 表現(xiàn)出較低的孔隙度和較高的密度特征。礁灰?guī)r隨著埋藏深度的增加, 成巖作用和上覆壓力作用增強, 導致白云石形成并充填孔隙, 從而降低了礁灰?guī)r的孔隙度。因此, 礦物成分的改變和孔隙發(fā)育程度小是致使礁灰?guī)r密度較大的重要因素。

2) 珊瑚礁灰?guī)r的縱波波速變化范圍為5104～5958m·s–1, 基本介于南沙海區(qū)已報道的礁灰?guī)r縱波波速范圍內, 但比西沙海區(qū)已報道的礁灰?guī)r縱波波速大。孔隙度和孔隙結構類型是影響南沙鉆孔礁灰?guī)r縱波波速的主要因素。

3) 本文所測深鉆礁灰?guī)r的vs/vp為0.48～0.65, 與巖溶地區(qū)碳酸鹽巖的橫、縱波速比特征相似, 屬于層狀巖體和固結巖體, 表明該深鉆所在礁體的礁灰?guī)r結構致密、穩(wěn)定性強。