利用应力场预测热液区域——以TAG区为例

陈钦柱, 陶春辉, 廖时理, 李怀明, 邓显明

(1. 温州科技职业学院 园林与水利工程学院，浙江 温州325000；2. 国家海洋局第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州310012)



利用应力场预测热液区域
——以TAG区为例

陈钦柱1, 陶春辉2*, 廖时理2, 李怀明2, 邓显明2

(1. 温州科技职业学院 园林与水利工程学院，浙江 温州325000；2. 国家海洋局第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州310012)

本文根据TAG区的钻探资料及岩心测试结果，建立了双层地质模型,在此基础上利用ANSYS应力软件并结合TAG热液区的地形数据对该区进行应力模拟。结果表明:热液喷口区域与最大水平应力低值区有较好的对应关系。其中仍处于活动状态的TAG丘状体区呈现明显的局部最大水平应力低值;而已经停止活动并且不具有典型喷口地形的MIR丘状体区域则处于最大水平应力的非封闭低值区域。据此，本文在TAG丘状体区域圈定了5个喷口可能区域，钻探结果揭示区内存在较好的矿化和蚀变现象，表明应力场预测法可能是一种有效的成矿预测方法。

海底地形；TAG热液区；应力场；成矿预测

1 引言

地应力是地质力学与岩体力学研究的基本内容之一。现今对地应力的研究主要集中在岩层中各部位的应力状态的模拟及推测。通过分析应力分布，可以为工程建筑区域稳定性提供依据，同时还能由应力场的分布推测可能产生破裂的区域[1]。Schöpa等[2]通过分析岩体自重引起的应力场推测武尔长诺岛上热喷口的位置。

地应力形成的原因十分复杂，至今仍是未完全解决的问题。地应力的形成主要与地球的各种动力运动有关，温度、水压梯度也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和岩体自重应力场是现今地应力场的主要组成部分[3]。陆地上对应力场的研究大多数是基于实测应力数据，通过有限元数学模型回归分析或者边界载荷调整等方法寻找最优的边界条件，使模型在应力实测点的应力状态与实测应力值最接近，从而模拟得到整个研究区的应力状态[4—6]。但在有些情况下，也会在只考虑岩体自重条件下计算整个研究区域的应力场[2]。

现有关于海底应力场的研究主要集中在洋中脊形成过程中的应力场变化。Buck 等[7]通过考虑岩层密度和局部构造对应力的影响来研究洋中脊地形形成的原因及过程。然而，随着陆地上矿产资源的不断被消耗利用，海底赋存的资源日渐受到重视，其中海底多金属硫化物矿产以其巨大的潜在价值尤其受到科学家的关注[8]。在此背景下，科学家希望通过研究海底热液区应力场的特点为圈定海底多金属硫化物富集区提供一些依据。但是由于海上作业成本及难度的原因，至今还难以如陆地上一样获得实测点的应力数据。因此，海底热液区的应力场研究一直是一个难点。最近，在仅有多波束海底地形数据的情况下， Petukhov等[9]尝试通过对不同热液区的海底应力场进行模拟，最后总结发现海底切应力场与热液喷口存在一定的关系。本文在此基础上，融合了Schöpa等[2]利用应力场寻找陆地热喷口的理论，提出利用最大水平应力场寻找热液喷口可能存在区域的方法。

2 方法介绍

为了尽可能接近真实地形的应力场的模拟，本次研究主要采取有限元的方法求解目标区的应力场。有限元应力求解法具有处理复杂多变模型的能力，适合处理不规则的地形模型[4]。现今市场上存在多种可选的有限元应力分析软件，比如ANSYS和FLAC 3D，ANSYS在静力分析中具有支持大应变、大变形且可选分析单元种类丰富的特点。本文主要采用ANSYS软件分析岩体受力变形情况。具体模拟分析过程分以下3个步骤：

首先，利用FLAC 3D和surfer软件建立符合真实海底地形的地质实体模型。针对大西洋的岩性特征，模型采用双层地质体结构，并根据大西洋TAG区钻探结果确定相应岩层的杨氏模量、泊松比和密度等物性参数[10]。

然后，根据实际需要确定相应的模型边界条件。据前人研究表明，区域构造稳定地区，浅层地应力主要受到起伏地形影响[11]。考虑模型边界条件的时候，力求不对目标区产生太大的边界效应。因此，在只考虑岩体自重引起的应力条件下，为了使下底面边界不对海底目标区域的应力结果产生太大影响，模型中相对加大下底面边界的截止深度。对于其他几个面的边界条件的处理方式具体如下：固定模型前后和左右边界面的x，y方向的位移；底面边界则施加x,y,z三方向边界约束；上表面则不做任何约束，使其自由活动[12]；施加的重力加速度g，使用以下计算公式获得[13]:

g=9.780 49(1+0.005 288sin2φ

-0.000 006sin22φ-0.000 308 6Z) m/s2，

其中，φ为纬度值，Z为海拔高度值，获得TAG区重力加速度为9.802 m/s2。

最后，通过ANSYS应力分析软件计算海底应力场并分析结果。与Petukhov利用模拟的切应力场结果研究热液喷口的位置相比，本文认为最大水平主应力场更能体现一个区域的应力场的特点，而且更易于结合陆地上寻找热喷口的相关理论。因此，在结果讨论部分主要研究最大水平主应力场与喷口位置的关系。

3 地质背景

Trans-Atlantic Geo-Traverse(TAG)热液区是在大西洋中脊最早发现的大型热液活动区，该区位于慢速扩张的中大西洋洋中脊26.08°N附近，靠近洋中脊裂谷东壁的谷底中[14](图1)。ODP158航段的钻探结果表明，TAG热液区的基底岩石主要由玄武岩枕状熔岩组成，这些岩石通常遭受了不同程度的热液蚀变作用[15]。据估计，该区的热液活动历史有20 000年之久，并具有多期次热液活动的特征[15]。

图1 TAG区域地形图，其中两个方框的区域为应力模拟模型的范围Fig.1 Topographic map of TAG hydrothermal field, the boxes show modeling regions

TAG热液区的面积大约为25 km2，水深在2 300～4 000 m之间，在此热液区上发现3处热液带：两个非活动的热液丘状体残留区MIR(26°08.7′N，44°48.4′W)和AIVIN区(26°09.54′～26°10.62′N，44°48.89′～44°48.50′W)以及现今仍然处于活动期的TAG丘状体 (26°08.21′N, 44°49.57′W)[16]。此外，根据大西洋洋中脊深钻岩石测试结果，推断在地层表面至150 m范围内为固结玄武岩以及砾状沉积物的混合物，150 m以下则主要是固结玄武岩[10]。

4 应力模拟及结果

4.1 模型的建立

文中采用的多波束地形数据主要是通过geomap软件获取的公开数据，其中包括TAG热液丘状体的局部高精度地形图以及Tivey等[17]在TAG区获取的高精度多波束数据。借助于sufer的强大网格划分能力和flac5.0对数据整合能力，实现了多波束数据和ANSYS实体模型的衔接。

因为ALVIN残留热液区的分布面积较分散，不利于体现热液集中区域的应力场的特点，并且综合考虑计算机的计算能力和模型网格划分精度，本文建立了两个实体模型，其中一个为3 500 m×2 340 m的TAG热液区小比例尺模型(图2)，另一个则为230 m×265 m的局部大比例尺的TAG丘状体模型(图3)。两个模型的地形都是根据网格化的多波束数据确定，并把经纬度坐标转换成相应的距离坐标。根据大西洋洋中脊的岩层特性，两个模型均为双层结构，同时按照Deep-Sea Drilling Project(DSDP)第37航段的岩心测量结果，赋予两层地层相应地层物性参数[10](详见表1)。

表1 岩石物性参数(据Hyndman和Drury [10]修改)

图2 TAG热液区小比例尺模型Fig.2 The small scale model of TAG hydrothermal field

图3 TAG丘状体大比例尺模型Fig.3 The large scale model of TAG doom model

4.2 计算结果

在计算的过程中，模型统一采用solid185单元类型，使用ANSYS对模型进行自由网格划分，划分的结果见图2和图3。其中TAG区模型共划分了2 526 983个单元和453 029个节点，TAG丘状体模型共划分了4 237 477单元和848 739个节点。在静态应力条件下，采用Pre-Condicton (CG)求解器对节点结果进行计算。通过对比节点z方向的位移结果和模型区域的地形(图4，图5)，可以看出在地势较高的部位节点z方向位移值较大，在地势低洼的部位节点z方向位移值较小，这一结果符合重力变形基本理论。且在模型的底面，z方向位移为0，结果和最初施加的边界条件约束相吻合。该模型z方向位移结果的数量级和前人重力模拟位移结果的相对数量级相似，可知本次模拟结果是可信的[18]。

图4 小比例尺模型z方向位移结果图Fig.4 The z direction displacement of small scale model

图5 TAG丘状体模型z方向位移结果Fig.5 The z direction displacement of TAG doom model

5 分析讨论

海底多金属硫化物是海底热液活动的产物。海底热液循环系统的形成与海底断裂和裂隙等密不可分。海底裂隙为热液循环系统提供了热液流通和矿物质交换沉淀的场所，为热液系统循环的产生提供了条件。因此，可以通过寻找裂隙的可能区域，来间接寻找海底多金属硫化物。

早在1951年 Anderson就发现岩石中的3个主应力提供了水压破裂方向的相关信息，即裂隙将沿着最大主应力的方向发育，同时裂隙垂直于最小主应力方向[19]。 Schöpa等在研究陆地火山热喷口与岩体自重引起的应力的关系时发现高温热喷口主要出现在水平最大主应力低值区[2]。因此研究水平和垂直应力的大小和方向有助于分析流体的运动趋势，同时也能为推测海底热液喷口位置提供一定依据。

据此，提取两个模型海底面的最大水平主应力结果信息，分析最大水平主应力与喷口断裂的关系。在图6小比例尺模型结果图中，最小应力值为0.1 MPa，最大应力值为1.48 MPa，符合岩体重力应力模拟的数量级。图中可以看出主应力的高值主要出现在地形变化较大的地方，应力高值相对集中在所选区域的中部和中东部位，其中中部高值呈明显的南北向分布。此外，还能看到应力高值区域附近的相对应力低值主要分布在山脊一侧，这一现象和Schöpa等的发现一致。另外，TAG丘状体正好处在应力低值区，且在一个小范围内被应力高值包围，这也和Schöpa等文章中地热溢出点多处于最大水平应力低值区相符合。由于MIR区是非活动的残留热液区，其地形经过后期的改造已经不具有典型的凸起的似火山地形特征，而是处于一块地形变化较大的山坡上。相应的在最大水平应力值图中其应力值处于应力高值与应力低值的交界处，且靠近应力低值区。总的来说，小比例尺的应力模拟结果，再一次确认了喷口易出现在最大水平应力低值的观点，也就是说，裂隙趋向于阻力小的方向发育。这一经验性结论，可以为未来在较大范围内圈定海底热液硫化物可能区域提供一定依据。

图6 小比例尺模型最大水平应力结果等值线图Fig.6 The maximum horizontal stress result of the small scale model

图7 TAG丘状体最大水平主应力模拟结果图Fig.7 The maximum horizontal stress result of TAG doom model

对于大比例尺的TAG丘状体区域的模拟结果(图7)，我们采用最大水平应力低值来预测丘状体的热液易喷发区域。在应力结果图中，根据钻探资料标出烟囱及钻孔的位置，此外，根据Humphris[20]研究结果表明TAG-1、TAG-2、TAG-5 3个区域富含大量的硬石膏。从结合了3D地形效果的应力结果图中可以看出，TAG丘状体出现了4个最大水平应力低值区，这些相应的低值区可以认定为是热液喷发易发生区域。首先，在TAG丘状体顶端出现小范围的低值区，此处的低值与热液容易在地形最高点喷发的事实相一致，同时据已有资料显示该区域内有烟囱体分布，表明现今该区域还有热液喷出现象[20]。此外，按地形从高到低往下的第二层与第三层地势较平缓区域也分别出现多处低值区，且出现的低值区呈现环带状分布并与山脊位置一致；据前人钻探研究表明在圈定的应力低值区域内发现大量的硬石膏等矿物，表明相应区域曾经可能经历较强的热液活动。最底层由于地势变化小，出现最大主应力为低值，这一结果与理论相符。

6 结论

本文利用海底地形数据模拟TAG热液区自重应力场，从应力角度分析热液喷口与地应力关系，较简单地形预测方法能更综合反映地形及岩性信息。小比例尺模拟结果表明，现今仍处于活动状态的火山状TAG丘状体对应于最大水平主应力局部低值区，且在丘状体周围区域出现小范围的应力高值区。而对于已经停止热液活动且并不具有典型的火山地形的MIR区，在应力结果图中依然对应最大水平应力低值区，和TAG丘状体区域相比只是没有相应的应力高值包围。此外，根据局部的TAG丘状体区域应力模拟结果，推测了5处热液活动易发区域，并且与已有的钻孔资料进行对比，发现最大水平应力低值区与热液产物富集区存在一定关系。因此，该发现可以为今后进一步缩小热液喷口寻找范围提供参考依据。

致谢：本研究在模型模拟及分析讨论过程中得到全俄地质与世界海洋矿产资源科学研究院的S.I. Petukhov研究员的宝贵建议，在此深表谢意。

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Analyzing the gravitational stress field to forecast hydrothermal field- A case study of TAG hydrothemal field

Chen Qinzhu1, Tao Chunhui2, Liao Shili2，Li Huaiming2, Deng Xianming2

(1.CollegeofLandscapeArchitectureandWaterConservancyEngineering,WenzhouVocationalCollegeofScienceandTechnology,Wenzhou325000,China；2.KeyLabofSubmarineGeosciences,SecondInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration，Hangzhou310012,China)

According to drilling data, two layer’s model is established by corresponding physical properties. Based on topographic data, here we use ANSYS software to simulate the gravitational stress field of TAG hydrothermal field. The result shows that, the hydrothermal vent locations are corresponding to the low stress area of the maximum horizontal stress. The stress of the active TAG doom area are characterized by local stress low surrounding by relative stress high, and the inactive MIR doom area without typical hydrothermal vent topography features located on unclosed area of the maximum horizontal stress low. Based on these conclusions, we predicted five places where the hydrothermal liquid probably flew out. According to drilling result, significant anhydrite was recovered in these areas, indicating that gravitational stress could be used for hydrothermal activity prediction.

topography; TAG hydrothermal area; stress field; hydrothermal activity prediction

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.005

2016-04-24；

2016-06-28。

国家重点基础研究发展计划(2012CB417305)；国际海域资源调查与开发“十二五”重大项目(DY125-11-R-01, DY125-11-R-05)；国际海底管理局(ISA)捐赠基金。

陈钦柱(1990—),男，温州市苍南县人，主要从事海底硫化区域预测研究。E-mail:chenqinzhu@aliyun.com

*通信作者：陶春辉(1968—)，男，研究员，主要从事海底热液硫化物研究。E-mail:taochunhuimail@163.com

P738.6

A

0253-4193(2017)01-0046-06

陈钦柱, 陶春辉, 廖时理, 等. 利用应力场预测热液区域——以TAG区为例[J]. 海洋学报, 2017, 39(1): 46-51,

Chen Qinzhu, Tao Chunhui, Liao Shili, et al. Analyzing the gravitational stress field to forecast hydrothermal field- A case study of TAG hydrothermal field[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 46-51, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.005