南沙海区珊瑚礁灰岩纵波波速特征及其影响因素*

田雨杭 , 陈忠 , 黄蔚霞 , 侯正瑜 , 颜文 , 王雪松

1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室, 南海海洋研究所, 南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301;

2. 中国科学院大学, 北京 100049;

3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458

珊瑚礁发育于热带海洋环境, 是以造礁珊瑚的石灰质骨骼为主体, 与珊瑚藻、仙人藻、软体动物壳、有孔虫等钙质生物混合堆积, 并经过漫长的地质作用而形成的一种岩石体(杨永康 等, 2016; 余克服, 2018)。珊瑚礁在岩石学上统称为珊瑚礁灰岩(简称礁灰岩), 是具有复杂岩性组构及结构类型的岩石, 表现出独特的工程地质属性(中国科学院南沙综合科学考察队, 1997a; 赵焕庭 等, 2014)。同时, 由于具有复杂的孔隙或裂隙结构, 礁灰岩可作为油气运移通道或油气储层(张小莉 等, 2007), 在油气勘探中具有重要的研究价值。相关研究表明, 礁灰岩的孔隙度和孔隙结构介于页岩和沉积物之间, 礁灰岩中微孔隙的结构、大小、刚度、接触关系及分布均影响着礁灰岩的声学特性(Eberli et al, 2003; Rezaei et al, 2019)。在礁灰岩的发育和形成过程中, 埋藏作用、胶结作用和成岩作用可改变礁灰岩的孔隙或裂隙结构及充填结构, 增强灰岩骨架的刚度, 对声波传播的路径产生较大的影响(Silva et al, 2019), 从而导致礁灰岩表现出更高的弹性波速特性(Bathurst, 1993)。

我国对南海礁灰岩的声学研究起步较早, 上个世纪90 年代中国科学院南沙综合科学考察队(1992)出版了关于南海南沙群岛礁灰岩孔隙度、密度及其声学测试与研究的论著, 部分学者也发表了有关点礁或礁坪浅层工程钻的岩心声学数据(孙宗勋 等, 1999; 王新志, 2008)。其中, 孙宗勋等(1999)研究了南永1 井钻孔中152.08m 以浅礁灰岩纵波波速的变化规律及其与礁灰岩结构、孔隙度、沉积环境和地质事件等的关系; 李赶先等(2001)根据纵波波速曲线的变化, 对南永1 井152.08m 以浅地层中的沉积环境和地质事件进行了识别。近年来, 杨永康等(2016)通过对西沙群岛小于50m 的礁灰岩浅钻样品的声学参数和物理力学参数进行测试和分析, 建立了礁灰岩声学特性和物理性质的回归方程, 结果表明礁灰岩的声学特性与其物理性质具有密切关系; 郑坤等(2019)对南沙群岛某礁体钻孔106.4m 以浅不同结构类型礁灰岩的弹性波特性开展了研究, 提出了利用声波波速识别礁灰岩结构并划分稳定性类型的方法。然而, 由于礁灰岩分布一般远离大陆, 样品采集困难, 因此对礁灰岩, 尤其是深钻井岩心礁灰岩的声学特性及其影响因素的研究仍较薄弱, 进而影响了对礁灰岩声学特性的认识及其在岛礁工程建设中的应用。

本文选取南沙海区某岛礁深钻中10 个典型的礁灰岩样品, 测定其纵波波速和孔隙度、密度参数; 结合前人研究资料, 分析纵波波速与孔隙度、密度的关系; 根据X-CT 层析扫描仪获得的礁灰岩三维孔隙结构特征, 探讨孔隙度和密度变化的原因, 进而揭示影响和制约纵波波速的因素。研究结果有助于深入了解礁灰岩的声学特性, 并促进其工程应用, 因此对岛礁稳定性评价和岛礁工程建设具有重要意义。

1 样品特征和测试

1.1 样品来源及特征

对南永1 井珊瑚礁岩心的研究表明, 永暑礁经历了三次沉积旋回而形成, 不同深度的礁灰岩形成于外礁坪、内礁坪、泻湖坡和泻湖盆等不同的动力环境, 埋藏后经受了重结晶和白云岩化等成岩作用(中国科学院南沙综合科学考察队, 1992)。本文选取的10 个岩心样品(图1)来自南沙海区某珊瑚礁钻孔的51.41～886.45m, 该礁体的形成环境和演化阶段与永署礁较为相似。

岩心样品呈乳白色或暗灰色, 发育有不规则的孔隙及少量缝隙。根据手标本并结合显微镜观察, 确定岩石的矿物以方解石和白云石为主, 其中2、3、4 号样品的白云石矿物质量分数占55%以上, 9号和10 号样品中高镁方解石和低镁方解石含量相近, 其余样品以低镁方解石为主, 质量分数占66%以上。

1.2 样品测试

将礁灰岩样品制备成高为100～120mm 的柱体(图1), 依据《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266- 2013)相关规定, 样品在80℃温度下恒温烘干72h, 然后放在干燥皿中冷却后测试。

图1 礁灰岩样品及其外形特征 Fig.1 Photo of coral reef limestone samples

在实验室常温常压环境下(23℃, 101.325kPa), 采用透射法对各礁灰岩样品沿同一方向进行纵波波速测试, 测试设备为WSD-3 数字声波仪, 频率为100kHz(图 2), 采样长度为 4096 点, 采样间隔为0.1µs, 声时精度优于0.1%。用游标卡尺测量礁灰岩长度, 误差在±0.02%内。礁灰岩样品纵波波速vp(单位: m·s–1)的计算公式如下:

式中: L 为岩心长度(单位: m); t 为声波在岩心中传播的时间(单位: s); t0为仪器系统换能器滞后延时的时间(单位: s)。根据对礁灰岩纵波波速的多次测量, 测试误差在±5m·s–1范围内。

图2 礁灰岩1 号样品的声波波形(a)及主频分析(b) Fig.2 Acoustic wave form and spectrum analysis of sample #1

礁灰岩孔隙度的测试在自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所采用CT 图像法完成, 所用的CT 设备为GE 公司生产的Phoenix v-tome-x 型, 电子束最高电压为182kV, 探测最大面积为20cm×20cm, 分辨率为1～2µm(李晨安 等, 2017)。礁灰岩的密度通过重量-体积方法测定, 在中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室完成, 相对误差小于1%。

2 结果与讨论

2.1 礁灰岩的孔隙度和密度特征

珊瑚礁的物理特性与沉积环境密切相关, 但随着埋藏深度的增加, 珊瑚礁会经受各种成岩作用(如重结晶作用、白云岩化作用、溶蚀作用), 这些成岩作用也可交替发生(王瑞 等, 2017)。在成岩作用过程中, 不稳定的文石转变为稳定的方解石, 原生孔隙结构演变为次生孔隙结构, 从而改变岩心的弹性波属性。弹性波速、孔隙度和密度是礁灰岩主要的声学参数, 三者能够定量地反映岩心的声学特征, 因此也是建立礁灰岩弹性波动理论模型的重要参数(舍恩, 2016)。

本文的礁灰岩弹性波速、孔隙度及密度测试结果见表1。根据表1 数据显示, 本次测试的礁灰岩孔隙度变化范围为1.47%～17.70%, 平均值为7.13%。孔隙度变化范围比范超(2018)对某礁灰岩钻孔43m以浅岩心测定的孔隙度范围要大, 但较南沙海区南永1 井礁灰岩(1.68%～29.02%)(中国科学院南沙综合科学考察队, 1992)、南沙群岛某岛礁钻孔106.4m 以浅礁灰岩(0.95%～32.84%)(郑坤 等, 2019)和西沙海 区浅钻礁灰岩(5.81%～36.33%)(杨永康 等, 2016)的孔隙度范围略小(图3a)。与南海以外的其他地区相比(Anselmetti et al, 1997; Assefa et al, 2003; Regnet et al, 2015; 王子振, 2016; 焉力文, 2018; 唐郑元, 2019; Cheng et al, 2019), 本文所测定的礁灰岩孔隙度数据也基本属于偏小级别(图3a)。此外, 由图3a可知, 各地区礁灰岩的孔隙度差异较大。珊瑚礁堆积后随着埋藏深度的增加, 上覆压力作用增强, 沉积碎屑之间的孔隙变小, 并在压溶作用下逐渐形成稳定的方解石或白云石, 充填在骨架颗粒的孔隙内, 从而使礁灰岩结构变得更加致密(Bathurst, 1987)。前已述及, 本研究测试的岩心样品中含有方解石和白云石, 它们可能是埋藏作用(样品孔深范围为51.41～886.45m)下生成的矿物, 并充填于礁灰岩原有的孔隙中, 因此实验测定的孔隙度相对较小。

表1 礁灰岩样品的纵波、横波波速与孔隙度、密度测试结果 Tab. 1 P-wave velocity, S-wave velocity, porosity, and density of the coral reef limestones analyzed

图3 南沙、西沙珊瑚礁与其他地区碳酸盐岩的孔隙度(a)和密度(b)对比 Fig.3 Comparison of porosity and density characteristics of coral reefs in the South China Sea with carbonate rocks from other regions

本文对10 个礁灰岩样品测定的密度变化范围为2.07～2.72g·cm–3(表1), 平均值为2.42g·cm–3。总体比南沙群岛某岛礁坪礁灰岩的密度大(王新志, 2008), 并位于南沙群岛某礁体钻孔106.4m 以浅的礁灰岩密度变化范围之内, 但较之致密(郑坤 等, 2019)(图3b); 与南永1 井(2.60～2.84g·cm–3)(中国科学院南沙综合科学考察队, 1992)、南沙某岛礁浅钻(2.22～2.64g·cm–3)(范超, 2018) 相比(图3b), 本文测定的深钻礁灰岩密度变化范围相对较大; 与西沙海区的礁坪灰岩(1.16～2.09g·cm–3)(王新志, 2008)相比, 本文所测密度值要大得多, 但均位于西沙浅钻的礁灰岩密度变化范围内(1.10～2.92g·cm–3)(杨永康 等, 2016)。此外, 本文测定的礁灰岩密度与其他地区的碳酸盐岩密度大多较为接近(Assefa et al, 2003; 孟庆山 等, 2005; 王子振, 2016; 焉力文, 2018; Cheng et al, 2019)(图3b), 只是总体上比佛罗里达群岛的礁灰岩密度(Anselmetti et al, 1997)要大。图3b 的礁灰岩密度对比表明, 不同地区和成因的碳酸盐岩, 其密度差异较大, 这主要取决于岩石的矿物成分和孔隙发育程度(曹晓初 等, 2019)。礁灰岩沉积埋藏后, 在压实作用达到一定程度之前, 孔隙度是密度的重要影响因素; 当压实致密效应开始出现后, 礁灰岩中的矿物成分对密度的影响越来越明显, 但即使矿物成分相同的礁灰岩, 其密度也可能在一个较大的范围内变化(中国科学院南沙综合科学考察队, 1997b)。

2.2 礁灰岩的纵波波速特征

前人对南沙海区礁灰岩的纵波波速变化已开展了较多的研究(图4)。本文测试的礁灰岩纵波波速范围为5104～5958m·s–1, 平均值为5375m·s–1, 介于前人对南沙海区礁灰岩测定的纵波波速变化范围内(中国科学院南沙综合科学考察队, 1992; 孙宗勋 等, 1999; 王新志, 2008; 范超, 2018; 郑坤 等, 2019); 总体较南沙礁区内的点礁(2156～3696m·s–1)(孙宗勋 等, 1999)和礁坪(2224～4337m·s–1)(王新志, 2008)波速大; 同时也比西沙海区目前已报道的礁灰岩纵波波速大(图4)。此外, 本文所测礁灰岩的纵波波速与岩溶地区碳酸盐岩(5153～6533m·s–1)(孟庆山 等, 2005)和鄂尔多斯碳酸盐岩(5037～6286m·s–1)(Cheng et al, 2019)的纵波波速相近(图4), 暗示着它们可能具有相似的波速影响因素。各地区之间礁灰岩的纵波波速差异较大, 表明纵波波速与孔隙度、密度一样, 也具有区域性特点。

2.3 礁灰岩纵波波速影响因素分析

已有研究表明, 孔隙度和孔隙类型是决定礁灰岩声波波速的重要因素(Anselmetti et al, 1993; Baechle et al, 2005; 王新志 等, 2008; Wang et al, 2015b)。声波在岩石传播过程中, 遇到形状不规则的孔隙、裂隙和孔洞时会经过多次反射和折射, 致使声波波速降低(Baechle et al, 2004; Wang et al, 2015a)。

图4 南沙、西沙珊瑚礁与其他地区碳酸盐岩的纵波波速对比 Fig.4 Comparison of P-wave of coral reefs in the South China Sea with carbonate rocks from other regions

然而, 碳酸盐岩孔隙结构异常复杂, 非均质性显著。尽管孔隙度是影响声波的重要因素, 但孔隙结构差异也可造成速度-孔隙度关系呈无规律变化(王子振, 2016)。王子振(2016)按照孔隙形状和孔隙刚度将碳酸盐岩孔隙划分为粒间、裂隙、溶孔三大类型: 1) 裂隙类孔隙, 孔隙纵横比小于0.02, 易于压缩变形; 2) 溶洞、溶孔、铸模孔, 孔隙纵横比大于0.6, 刚性强, 不易变形; 3) 粒间孔、晶间孔, 孔隙纵横比为0.1～0.4, 孔隙刚度居中。在孔隙度相同的情况下, 裂缝等“软”孔隙使碳酸盐岩纵波速度异常低; 溶洞、铸模孔等“硬”孔隙则使碳酸盐岩纵波速度异常高(图5)。

图5 礁灰岩的纵波波速随孔隙度的变化关系图[据王子振(2016)修改] Fig.5 Relation between P-wave and porosity of coral reef limestone

根据图5 所示, 本文所测礁灰岩样品的纵波波速基本随孔隙度增大而减小, 与南沙某岛礁浅钻礁灰岩的纵波波速变化较相似(范超, 2018), 而不同于南沙海域另一钻孔106.4m 以浅(郑坤 等, 2019)及南永1 井152.08 m 以浅(李赶先 等, 2001)的礁灰岩纵波波速变化。孔隙度是碳酸盐岩纵波变化的重要控制因素(Baechl et al, 2005; 李月, 2007), 但孔隙类型对纵波特性也会产生重要影响。在本文测试的样品中, 3 号样品溶孔类孔隙增多, 导致其纵波波速比粒间类孔隙样品的波速显著增高, 1、5、7 号样品基本沿粒间孔隙纵波变化曲线分布, 其余样品的纵波波速变化在一定程度上受到裂隙类孔隙增加的影响。由图5 还可发现, 4 号和10 号样品的孔隙度相近(表1), 但10 号样品的纵波波速比4 号样品小了约6%(359m·s–1), 这可能与4 号样品中的裂隙类孔隙较多有关(图6)。对碳酸盐岩孔隙结构的模拟实验研究发现, 在孔隙度相等条件下, 孔隙类型对声波波速产生较大影响(Baechl et al, 2009; Hu et al, 2018)。综上所述, 孔隙度和孔隙结构类型是影响南沙钻孔礁灰岩纵波波速的主要因素。

图6 3 号、4 号、10 号样品的三维孔隙结构图 图中右下角数字为样品编号 Fig.6 The 3D pore structure of samples #3, #4, and #10

2.4 礁灰岩波速在岩体结构判别中的作用

珊瑚岛礁是珊瑚碎屑沉积和压实作用的综合体, 其声波特征反映了岩体的岩性、物理性质、孔隙度和孔隙结构等重要信息, 其中礁灰岩岩体结构是影响礁体稳态的重要因素。在工程地质学上, 礁灰岩的横波波速(vs)与纵波波速(vp)比值可用于对岩体的完整性、稳定性和坚固性进行判别和分类(赵明阶 等, 2000)。当vs/vp小于0.3 时, 礁灰岩岩体为松散的破碎结构; 当vs/vp介于0.3～0.6 时, 礁灰岩岩体为层状结构; 当vs/vp大于0.6 时, 礁灰岩岩体为固结的岩体(孙宗勋 等, 1999)。本文测定的礁灰岩vs/vp为0.48～0.65, 主要分布在层状岩体和固结岩体的区域, 与孟庆山等(2005)测定的岩溶区石灰岩、白云岩数据分布域较接近(图 7), 也与鄂尔多斯碳酸盐岩(Cheng et al, 2019)和古塔东城碳酸盐岩高声速段(唐郑元, 2019)的分布域较为接近, 但与南沙海区其他礁灰岩(中国科学院南沙综合科学考察队, 1992; 孙宗勋 等, 1999; 王新志, 2008)以及西沙海区礁灰岩的分布域(王新志, 2008)明显不同。由于固结岩体和层状岩体比破碎岩体的稳定性好、强度大, 而本文所测样品均位于层状岩体和固结岩体的区域内, 表明本文研究钻孔所在的礁体结构致密、稳定性强, 这与钻孔揭示的实际岩性特征是比较一致的。因此, 通过对比礁灰岩的纵波、横波速度变化能有效地推测岩体的结构和稳定性特征, 为珊瑚岛礁工程建设的稳定性评估提供安全可靠的技术支撑。

3 结论

本文通过对南沙海区某深钻礁灰岩的纵波波速、密度和孔隙度测试与分析, 讨论了成岩作用对孔隙度和密度的影响以及纵波速度的主要控制因素, 获得了以下认识:

图7 碳酸盐岩纵波波速和横波波速的关系及其岩体结构 Fig.7 Relation between P-wave and S-wave velocities in coral reef limestone and rock mass structure

1) 南沙群岛礁灰岩的孔隙度变化范围为1.47%～17.7%, 密度变化范围为2.07～2.72g·cm–3, 表现出较低的孔隙度和较高的密度特征。礁灰岩随着埋藏深度的增加, 成岩作用和上覆压力作用增强, 导致白云石形成并充填孔隙, 从而降低了礁灰岩的孔隙度。因此, 矿物成分的改变和孔隙发育程度小是致使礁灰岩密度较大的重要因素。

2) 珊瑚礁灰岩的纵波波速变化范围为5104～5958m·s–1, 基本介于南沙海区已报道的礁灰岩纵波波速范围内, 但比西沙海区已报道的礁灰岩纵波波速大。孔隙度和孔隙结构类型是影响南沙钻孔礁灰岩纵波波速的主要因素。

3) 本文所测深钻礁灰岩的vs/vp为0.48～0.65, 与岩溶地区碳酸盐岩的横、纵波速比特征相似, 属于层状岩体和固结岩体, 表明该深钻所在礁体的礁灰岩结构致密、稳定性强。