普騰飛

內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

1 引言

巖石的地震波性質(zhì)（VP、VS、波速各向異性）可以解釋地震觀測(cè)資料，綜合研究巖石的地震波速度、密度、孔隙度、泊松比、各向異性、顯微構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造變質(zhì)變形歷史，對(duì)于解釋地殼和上地幔結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成和構(gòu)造演化具有十分重要的意義（Ji et al., 2007；王勤，2007）。地球物理資料解釋具有多解性和不確定性，巖石高溫高壓實(shí)驗(yàn)可以研究與模擬地球內(nèi)部溫壓條件，在高溫高壓條件下，對(duì)巖石的彈性波速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究能夠?yàn)榈厍蛭锢碣Y料解釋提供重要的指導(dǎo)。

已有研究表明，影響地震波波速的因素有很多，包括巖石的巖性、成分（礦物組成和化學(xué)成分）、密度、孔隙率、孔隙所含流體、圍壓、溫度、風(fēng)化和蝕變、層理面和節(jié)理性質(zhì)（填充物、水、傾向和走向）等（Sharma, 2007）。Birch（1960；1961）采用超聲脈沖透射技術(shù)在活塞—圓筒實(shí)驗(yàn)裝置中,分別對(duì)常溫、0.1~1.0 Gpa 壓力范圍內(nèi)70 多種巖石（主要是巖漿巖和變質(zhì)硅酸巖，從蛇紋巖和花崗巖到富鐵的純橄欖巖和榴輝巖）縱波速度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在0.3~0.4 GPa 壓力范圍, 巖石的波速隨壓力呈非線性快速增長(zhǎng), 當(dāng)壓力超過0.4 GPa后, 巖石的波速隨壓力呈線性緩慢增長(zhǎng)，認(rèn)為初始速度隨壓力的快速增加是由于孔隙空間的閉合，并在1961 年對(duì)250 個(gè)巖石樣品做了進(jìn)一步地震波性質(zhì)測(cè)量，認(rèn)為波速受孔隙度、蝕變、礦物各向異性和礦物組成等的影響。彈性各向異性是殼幔巖石重要的特征，地殼淺部巖石地震各向異性通常被認(rèn)為是由裂縫或者裂縫擇優(yōu)取向造成的，地殼深部通常由于高壓導(dǎo)致裂隙關(guān)閉，各向異性主要由云母和角閃石晶格優(yōu)選定向造成，Geoffrey 等（2009）對(duì)喜馬拉雅山脈西部正片麻巖（原巖為花崗閃長(zhǎng)巖，礦物組成主要是長(zhǎng)石、石英、黑云母，其次是白云母）礦物組構(gòu)、波速、各向異性進(jìn)行了研究，認(rèn)為如果大陸中部地殼以長(zhǎng)英質(zhì)/花崗質(zhì)成分為主，則云母是地震各向異性產(chǎn)生的主要原因；Kern（1990；1993；1996；2008）對(duì)大量巖石樣品進(jìn)行波速測(cè)量，研究了0~700 MPa 壓力范圍內(nèi)波速各向異性與巖石組構(gòu)、礦物各向異性之間的關(guān)系, 認(rèn)為波速各向異性主要受礦物的晶格優(yōu)選定向控制，在對(duì)Outokumpu 科學(xué)鉆孔黑云母片麻巖不同壓力下波速各向異性的研究中認(rèn)為在150 MPa 下定向微裂紋主要影響巖石波速，晶格優(yōu)選定向（LPO）和形狀優(yōu)選定向（SPO）影響較小，黑云母比石英和長(zhǎng)石的影響更大，壓力在150 MPa 以上巖石波速各向異性主要受黑云母晶格優(yōu)選定向（LPO）和形狀優(yōu)選定向（SPO）影響。Tatham 等（2008）對(duì)蘇格蘭西北部角閃巖礦物組構(gòu)、地震波特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在地殼深部基本不含有黑云母的情況下，角閃石是造成巖石波速各向異性的主要原因。Barberini等（2007）對(duì)意大利北部阿爾卑斯山脈角閃巖礦物組成、化學(xué)成分、微觀組構(gòu)以及0~300 MPa 壓力范圍內(nèi)波速特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為巖石波速隨角閃石含量、MgO和Fe2O3含量增加而增加，隨斜長(zhǎng)石含量、SiO2含量增加而減少,波速各向異性主要受角閃石晶格優(yōu)選定向影響，斜長(zhǎng)石影響較小。Christensen（1965；1966）通過對(duì)地殼底部變質(zhì)巖波速進(jìn)行測(cè)量，研究了波速與與孔隙形狀、礦物排列和礦物成分等因素之間的關(guān)系，認(rèn)為速度隨壓力的初始變化與巖石孔隙空間的排列和形狀有關(guān)，速度隨傳播方向的變化是由于變質(zhì)巖中礦物優(yōu)先取向造成的。Timur 通過研究2 個(gè)砂巖和7 個(gè)碳酸鹽樣品波速與溫度變化關(guān)系，認(rèn)為巖石波速隨溫度升高而降低，溫度每升高100 ℃，縱波波速下將1.7%，橫波波速下降0.9%，實(shí)驗(yàn)中，將溫度范圍設(shè)置為0~200℃，對(duì)于Borea 飽和鹽水砂巖來(lái)說(shuō)，將上覆壓力Po分別設(shè)置為1380 bars、350 bars、138 bars，將流體壓力Pf分別設(shè)置為600 bars、150 bars、60 bars；對(duì)于Boise 飽和鹽水砂巖來(lái)說(shuō)，將上覆壓力Po設(shè)置為690 bars，將流體壓力Pf設(shè)置為345 bars；對(duì)于碳酸鹽樣品來(lái)說(shuō)，將上覆壓力Po設(shè)置為915~953 bars，將流體壓力Pf設(shè)置為398~414 bars (Timur, 1977)。韓德華在圍壓 40 MPa 和孔隙壓 0.1 MPa 條件下對(duì)粘土體積含量從0~50%，孔隙度從2%~30%的75種砂巖波速與孔隙度、黏土含量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，通過最小二乘法擬合得到如下經(jīng)驗(yàn)公式：Vp(km/s)=5.59-6.93Φ-2.18C；Vs(km/s)=3.52-4.91Φ-1.89C， Φ是孔隙度，C 是粘土含量，誤差分別小于 3%和 5%，結(jié)果表明砂巖波速與黏土含量和孔隙度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，增加黏土含量和孔隙度會(huì)造成巖石波速降低（Han, 1986）。這一關(guān)系也被Freund（1992）開展的碎屑沉積巖波速與孔隙度的關(guān)系研究所證實(shí)。Freund 對(duì)孔隙度從0~15%，黏土含量從1~88%的沉積巖波速進(jìn)行了測(cè)量，并且模擬計(jì)算出200 MPa 壓力條件下波速和孔隙度、黏土含量的公式：Vp=5.04-3.32Φ(r=0.28)；Vp=5.07-1.01 clay(r=0.58)，Vs=3.18-1.42Φ(r=0.19)；Vs=3.25-0.63 clay(r=0.55)，結(jié)果表明隨著黏土含量和孔隙度增大，巖石波速減小。對(duì)6 種砂巖的彈性波速與飽和度、孔隙流體分布之間的關(guān)系進(jìn)行研究，認(rèn)為波速的變化與飽和度以及孔隙流體分布有關(guān)（史謌，2003）。其他研究根據(jù)對(duì)干燥、飽油、飽水條件下砂巖地震波速隨壓力變化的關(guān)系進(jìn)行研究，認(rèn)為巖石孔隙充滿水或油會(huì)增大樣品有效體積模量和剪切模量，使縱波速度增大，飽油或飽水會(huì)增大密度，使巖石橫波速度減小（劉燁，2018；喬二偉，2012）。這一系列的研究表明，巖石的波速受控因素眾多，而對(duì)具體地區(qū)的波速影響因素以及地震波性質(zhì)研究需要將巖石物理學(xué)資料與地球物理勘探結(jié)果相結(jié)合。

本研究的雪峰山地區(qū)位于江南造山帶西段，是新元古代華夏地塊和揚(yáng)子地塊的構(gòu)造邊界，是研究經(jīng)歷了多期巖漿、變形作用而形成的地下深部構(gòu)造的理想?yún)^(qū)域。近年來(lái)，隨著巖石年代學(xué)和地球化學(xué)的不斷進(jìn)步，地球物理資料在該區(qū)也越來(lái)越多。前人對(duì)該區(qū)已經(jīng)開展了大量的地質(zhì)調(diào)查和高分辨率地球物理勘探工作：徐濤（2011）對(duì)雪峰山地區(qū)進(jìn)行了寬角人工源地震探測(cè)，結(jié)果顯示雪峰山地區(qū)下地殼速度是6.4~6.5 km/s，上地幔頂部速度是7.9 km/s， 雪峰山地殼在中生代受擠壓或熱的抬升作用發(fā)生幅度約10 km 的整體抬升。董樹文（2015）對(duì)華南雪峰山地區(qū)進(jìn)行了深部地震探測(cè)，并且獲得了長(zhǎng)400 km 的高分辨率地震反射剖面，地震資料解釋認(rèn)為雪峰山地區(qū)存在一隱伏造山帶，年代地質(zhì)學(xué)資料表明該隱伏造山帶為古元古代造山帶（約2.0~1.9 Ga），并且經(jīng)歷了新元古代裂谷作用改造，這一區(qū)域裂谷事件可能與羅迪尼亞超大陸裂解有關(guān)，地震剖面上顯示的逆沖褶皺是揚(yáng)子—華夏碰撞造山帶的證據(jù)，可能與哥倫比亞超大陸的形成有關(guān)（Zhao, 2002），對(duì)于重新認(rèn)識(shí)華南大地構(gòu)造演化歷史以及重建全球范圍哥倫比亞超大陸和羅迪尼亞超大陸具有重要意義（Dong et al., 2015）。然而，也有學(xué)者認(rèn)為，古元古代造山帶的證據(jù)并不充分，該強(qiáng)反射面更可能代表了新元古代早期的造山運(yùn)動(dòng)（Li et al., 2021）。朱小三通過對(duì)雪峰山地區(qū)進(jìn)行地震探測(cè)研究了雪峰山地區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)，對(duì)于了解雪峰山地區(qū)地質(zhì)、構(gòu)造、地球動(dòng)力學(xué)演化具有重要意義（Zhu et al., 2020）。但是還缺乏有效的地震波性質(zhì)的解讀，顯然，對(duì)該研究區(qū)深部巖石學(xué)、巖石物理學(xué)、地球物理學(xué)等多學(xué)科的綜合研究仍然是非常必要的。為了更好地理解和認(rèn)識(shí)華南雪峰山地區(qū)深部地質(zhì)構(gòu)造演化，本文通過采用超聲波脈沖透射技術(shù)對(duì)雪峰山地區(qū)新元古代巖石地震波與壓力的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時(shí)理論計(jì)算巖石波速，通過對(duì)比理論計(jì)算波速與實(shí)際測(cè)量波速之間的誤差，結(jié)果表明實(shí)際測(cè)量波速與理論計(jì)算波速之間一致性較好，說(shuō)明實(shí)際測(cè)量波速基本準(zhǔn)確，為華南雪峰山地區(qū)深部地震資料解釋提供了波速數(shù)據(jù)。

2 地質(zhì)背景

華南板塊由華夏塊體和揚(yáng)子塊體組成，并在新元古代早期（1000~800 Ma）沿江山—紹興—萍鄉(xiāng)斷層碰撞拼接形成江南造山帶（舒良樹，1993；Charvet, 1996；Faure et al., 2009；Zhao, 2012） ，這一碰撞拼接作用被稱作四堡造山作用，并且形成了華南地區(qū)普遍存在的地質(zhì)變形、抬升和區(qū)域性不整合（Zhou, 2002）。

華夏塊體前寒武紀(jì)巖石主要分布于武夷、南嶺、云開等地區(qū)，巖性主要是新元古代火山巖和沉積巖（Yu et al., 2012），武夷地塊出露中元古代混合片麻巖、花崗片麻巖、片巖、麻粒巖、白斜長(zhǎng)巖等，并伴有新元古代碎屑巖、細(xì)碧巖、玄武巖、流紋巖。在南嶺—贛南和云開兩個(gè)地塊內(nèi)，廣泛暴露出受不同變質(zhì)程度影響的碎屑巖（舒良樹，2006）。揚(yáng)子塊體北部具有太古代結(jié)晶基底，主要包括雜巖體（3.45 Ga 花崗巖片麻巖）（Guo et al., 2014）、魚洞子雜巖體（2.82 Ga、2.7~2.6 Ga、2.45 Ga 花崗巖和正片麻巖）（Zhou et al., 2018）、鐘祥雜巖體（2.90~2.87 Ga、2.77 Ga、2.67~2.62 Ga 花崗巖和2.70~2.67 Ga 變質(zhì)沉積巖）（Wang et al., 2018a；Wang et al.,2018b）、南秦嶺地區(qū)陡嶺雜巖體（2.5 Ga TTG 片麻巖）（Wu et al., 2014）和大別地區(qū)2.7~2.0 Ga 黃土嶺花崗巖體原巖（Sun et al., 2008）。揚(yáng)子塊體西南部古元古代結(jié)晶基底則主要是云南中部的大紅山群和四川南部的東川群，年齡在1750~1650 Ma 之間，由淺變質(zhì)的火山巖和沉積巖組成（Greentree and Li,2008）。揚(yáng)子塊體西南緣以外，大部分地區(qū)的新元古代巖石地層不整合地覆蓋在古元古代巖石地層之上，中間缺失中元古代地層。

江南造山帶位于揚(yáng)子塊體東南緣，主要由一系列新元古代巖石地層及侵入其中的花崗巖和少量的基性巖構(gòu)成（Wang et al., 2007a；Wang et al., 2014；Wang et al., 2007b）。江南造山帶新元古代中期地層主要有兩套呈角度不整合的地層系列所構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)于0.88~0.82 Ga 冷家溪群及其同時(shí)期沉積物，以及0.82~0.75 Ga 的板溪群及其同時(shí)期沉積物，其中的火成巖的形成時(shí)代主要在0.97~0.75 Ga 之間（Shu et al., 2021；Wang et al., 2007a；Wang et al.,2014；Wang et al., 2007b）。雪峰山地區(qū)位于江南造山帶西段，大面積出露這兩套地層，并有約750 Ma的后造山基性巖侵入（Wang et al., 2007a；Wang et al., 2007b），是研究華南大陸早期構(gòu)造演化過程的重點(diǎn)地區(qū)。在不整合面之上是板溪群地層（貴州稱為下江群，廣西稱為丹洲群），屬于濱淺海相沉積，由新元古代砂巖、礫巖、球礫巖、板巖和少量火山碎屑巖組成（Wang et al., 2007a；Wang et al., 2014；Wang et al., 2007b；丘元禧，1998），局部發(fā)育寬緩褶皺構(gòu)造，地質(zhì)年代學(xué)資料表明，這一時(shí)期地層年齡為820~750 Ma（Shu et al., 2021）。在不整合面之下是冷家溪群（貴州稱為梵凈山群， 廣西稱為四堡群），地層具有緊密線性、等斜和倒轉(zhuǎn)褶皺特征，與不整合面之上的板溪群開闊褶皺形成對(duì)比，地質(zhì)年代學(xué)資料表明，這一時(shí)期地層年齡為860~820 Ma，限定了江南造山帶造山結(jié)束的時(shí)間大概在約820 Ma。（Shu et al., 2021；Wang et al., 2007a；Wang et al., 2007b）。本文主要研究梵凈山群巖石，梵凈山群可分為上下兩部分：下部由海底噴發(fā)的基性熔巖和陸源碎屑沉積組成火山—沉積體系，火山—沉積體系由具有鮑馬層序的變質(zhì)砂巖、粉砂巖、凝灰?guī)r、絹云母千枚巖、板巖和枕狀構(gòu)造的基性火山巖組成，具有洋殼特征，以較厚的基性火山巖為主。梵凈山群下部為陸源碎屑濁積巖，具有復(fù)理石構(gòu)造，包括變質(zhì)砂巖、粉砂巖、凝灰?guī)r、千枚巖和板巖。與梵凈山群下部相比，上部沉積物顏色較淺，粒度較粗，具有大陸邊緣洋陸過渡型地殼特征。梵凈山群內(nèi)的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖石包括枕狀玄武巖、輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、輝長(zhǎng)輝綠巖、橄欖輝石巖等。梵凈山群經(jīng)歷了綠片巖相變質(zhì)作用，其中火山—沉積巖被綠泥石、透閃石、綠簾石、黝簾石、方解石和石英所取代。（Zhou et al., 2009；丘元禧，1998）。

圖1a 所示是華南雪峰山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況，圖1b, c 所示是板溪群（丹州群，下江群）與冷家溪群（四堡群，梵凈山群）角度不整合接觸。

圖1 華南雪峰山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖與采樣位置Fig. 1 Simplified geological map showing the Xuefengshan Belt and sample locations

3 樣品描述

本研究樣品主要采自板溪群和梵凈山群，表1給出了采樣地點(diǎn)、巖性、地層、礦物組成。

表1 雪峰山地區(qū)新元古代樣品信息Table 1 Neoproterozoic samples collected from the Xuefengshan belt

板溪群樣品采自湖南省懷化市前往接龍鎮(zhèn)省道312 道路旁（圖2）。板溪群主要分布地層有加榜組和拉攬組①溆浦幅7-49-3. 1972. 湖南省區(qū)域地質(zhì)測(cè)量隊(duì).。加榜組第一段是變質(zhì)砂巖段，灰綠色厚層狀變質(zhì)石英砂巖，偶見含礫粗粒變質(zhì)砂巖，上部多為灰綠色條帶狀硅質(zhì)板巖互層。加榜組第二段是灰?guī)r、鈣質(zhì)千枚巖段，灰色紫灰色鈣質(zhì)絹云母板巖，鈣硅質(zhì)絹云母板巖；中部千枚狀灰?guī)r及大理巖扁豆體的鈣質(zhì)板巖。加榜組第三段是炭泥質(zhì)板巖段，暗灰、黑色絲縞狀炭泥質(zhì)板巖與絹云母板巖互層，夾灰綠色板巖，有輝長(zhǎng)輝綠巖脈侵入。加榜組第四段是黃綠色板巖，灰綠色條帶狀絹云母板巖與硅質(zhì)絹云母板巖互層，夾變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖，有輝長(zhǎng)輝綠巖脈侵入。拉攬組第一段是變質(zhì)砂巖段，局部有條帶狀板巖與凝灰質(zhì)砂巖互層，細(xì)粒變質(zhì)凝灰質(zhì)砂巖為黃褐色厚層狀，泥灰質(zhì)石英砂巖夾雜有透鏡狀泥礫。拉攬組第二段是灰質(zhì)板巖段，條帶狀硅質(zhì)—凝灰質(zhì)板巖、凝灰?guī)r、層凝灰?guī)r，局部夾變質(zhì)砂巖。

圖2 溆浦區(qū)域地質(zhì)圖① 溆浦幅7-49-3. 1972. 湖南省區(qū)域地質(zhì)測(cè)量隊(duì)（比例尺：1:200000）.Fig. 2 Simplified geological map of Xupu area

本文研究的樣品主要有千枚巖、硅質(zhì)巖、粉砂巖等。其中，絹云母千枚巖（D01-1，D01-2，D01-3，圖3a, b, c）的主要礦物組成為石英、絹云母、磁鐵礦，其中的絹云母定向排列,圖中斜線表示鏡下鑒定線理發(fā)育方向。變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖（D03-1-1，圖3d）：主要為長(zhǎng)石，石英（具有波狀消光），有泥質(zhì)條帶，正交鏡下黃色者為絹云母，泥質(zhì)條帶變成絹云母，這個(gè)過程是泥質(zhì)礦物重結(jié)晶。輕變質(zhì)硅質(zhì)巖（D07-1-1，圖3e）：主要礦物為綠泥石（單偏光下呈淺綠色，長(zhǎng)條狀干涉色不超過一級(jí)）、玉髓質(zhì)石英（單偏光下無(wú)色透明，正交鏡下呈一級(jí)灰白干涉色，經(jīng)過結(jié)晶成不規(guī)則狀石英）、磁鐵礦、其他物質(zhì)，原巖是硅質(zhì)巖，準(zhǔn)確稱為水蝕巖，泥質(zhì)物質(zhì)綠泥石化，水溶液中的二氧化硅剛開始成蛋白石，蛋白石轉(zhuǎn)化為玉髓質(zhì)石英，比微晶石英晶體要大。

圖3 雪峰山地區(qū)千枚巖和變質(zhì)沉積巖顯微照片F(xiàn)ig. 3 Photomicrographs of Phyllite and Metamorphic-sedimentary rocks from the Xuefengshan Belt

梵凈山群樣品采自貴州省銅仁市梵凈山地區(qū)（圖4），圖中地層分布主要有梵凈山時(shí)期和下江時(shí)期。梵凈山時(shí)期地層分為淘金河組、余家溝組、肖家河組、回香坪組、銅廠組、洼溪組（譙文浪，2013）。淘金河組地層為淺灰、灰色中厚層變質(zhì)粉砂巖—細(xì)砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，大量基性侵入巖，白云母花崗巖、偉晶巖侵入。余家溝組地層為變余砂巖—粉砂巖、變余雜砂巖，偶夾板巖、變余凝灰?guī)r、絹云母千枚巖、變余巖屑石英砂巖，上部是灰色厚層絹云母石英巖與千枚狀絹云母板巖，伴有巖株?duì)畎自颇富◢弾r及脈狀偉晶巖侵入。肖家河組為深灰色薄至厚層板巖夾變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖，夾有變余細(xì)砂巖及凝灰質(zhì)板巖，以及不具枕狀構(gòu)造的變質(zhì)玄武巖?；叵闫航M為灰色、灰綠色絹云母板巖與灰色變余粉砂巖不等厚互層，夾變余粉砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖和凝灰質(zhì)板巖，局部可夾有少量枕狀玄武巖。銅廠組為淺灰色—灰色變余細(xì)—中砂巖為主，時(shí)夾有變余粉砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、絹云母板巖。洼溪組為灰色中厚層變余粉砂巖、變余細(xì)砂巖、變余凝灰質(zhì)砂巖不等厚互層，偶見淺灰色薄層粉砂質(zhì)板巖、絹云母板巖。

圖4 梵凈山區(qū)域地質(zhì)圖(譙文浪, 2013)Fig. 4 Simplified geological map of Fanjingshan area

本區(qū)樣品主要為變質(zhì)粗砂巖（FJ001，圖4f），單偏光下黃綠色者為綠泥石，無(wú)色透明者為石英，低正凸起，表面光滑，見不到任何糙面現(xiàn)象，鏡下可觀察到磁鐵礦存在；正交鏡下，石英干涉色一級(jí)黃白，具有棱角狀，有的含有平直邊緣，石英邊緣被水云母包裹，水云母重結(jié)晶對(duì)石英侵蝕交代作用，石英會(huì)凹進(jìn)去；含有少量碎屑，破碎堆積很快。絹云母化粉砂巖（FJ002，圖4g）：?jiǎn)纹庀聼o(wú)色透明者為石英，低正凸起，表面光滑，見不到任何糙面現(xiàn)象，淺草綠色者為絹云母；正交鏡下，石英干涉色一級(jí)黃白，可觀察有磁鐵礦；具有細(xì)砂粒、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，石英為主，少量巖屑，顆粒之間有泥質(zhì)化、重結(jié)晶、絹云母化。巖屑砂礫巖（FJ2501，圖4h）：大碎斑干涉色明暗條紋相間者為斜長(zhǎng)石，長(zhǎng)石主要為斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石，殘留雙晶結(jié)構(gòu)明顯者為斜長(zhǎng)石云母化產(chǎn)物，干涉色較高，干涉色均勻者為石英，淺黃綠色者為暗色礦物綠簾石化（角閃石等暗色礦物），干涉色（綠）較亮者為絹云母，較暗者為綠泥石；有火山巖碎屑（火山巖屑、淺變質(zhì)巖巖屑、粉砂巖巖屑）存在，中間包有斑晶，顆粒較大，含量大于1/3，棱角明顯，磨圓度較低。

4 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本論文所研究的樣品波速測(cè)量在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫高壓試驗(yàn)機(jī)上完成，所用樣品腔為單軸應(yīng)變樣品腔，裝樣方式如圖5 所示。

圖5 樣品腔裝配圖Fig. 5 Assembly of the sample chamber

按照面理、線理分布方向用金剛石鉆沿標(biāo)本相互垂直的三個(gè)方向X、Y、Z 鉆取圓柱形粗樣（如圖6），拋光制成直徑14 mm，長(zhǎng)15 mm（或直徑12 mm，長(zhǎng)10 mm）頂?shù)酌嫫叫械膱A柱體，放入烘箱干燥48 小時(shí)，烘箱溫度設(shè)置為80 ℃。制樣過程中保證樣品上下兩個(gè)平面基本平行，裝樣過程中保證實(shí)驗(yàn)樣品與上下兩個(gè)彈性波探頭平行緊密接觸，最好在樣品與上下兩個(gè)彈性波探頭接觸的地方涂上一層真空脂使之充分接觸，將圓柱形樣品放在葉臘石環(huán)套里，然后放入樣品腔，依次放入T 形鋼保護(hù)管、葉臘石片、鉛墊，在初始加壓過程中可以起到緩沖作用。制作樣品腔的材料為碳化鎢，不易發(fā)生變形，其內(nèi)徑為 20 mm。施加給樣品的壓力方向是軸向，實(shí)驗(yàn)操作中嚴(yán)格按照尺寸制樣，按照標(biāo)準(zhǔn)裝樣，可以保證加壓過程中樣品腔和樣品均不發(fā)生橫向變形，而只受軸向壓力作用發(fā)生軸向縮短。位移傳感器可以用來(lái)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中樣品的縮短量，測(cè)量誤差為0.01%。

圖6 樣品鉆樣方向Fig. 6 Diagram showing the drilling direction of a sample

巖石地震波速測(cè)量采用超聲波脈沖透射技術(shù)（Birch, 1960）。制作彈性波探頭（也稱作超聲波換能器）的材料是LiNbO3，轉(zhuǎn)換頻率1.0 MHz，采樣精度是12bit，測(cè)量精度優(yōu)于0.5%，低壓下，由于固結(jié)不良，測(cè)量精度可能到達(dá)2%，采樣頻率40 MHz。樣品腔的直徑是20 mm,油缸的直徑是360 mm。如果是試驗(yàn)壓機(jī)，樣品腔內(nèi)部沒有摩擦力，則實(shí)驗(yàn)記錄到的載荷L 和樣品上承受的壓強(qiáng)P 與為二者的面積成反比，即P/L=1802/102=324. 換言之，壓機(jī)提供1 MPa 的載荷，樣品上承受324 MPa 的壓強(qiáng)。考慮到摩擦等損耗（30%），實(shí)際的P/L=為324*70%=226.8，即壓機(jī)提供1 MPa 的載荷，樣品上承受227 MPa 的壓強(qiáng)。當(dāng)壓強(qiáng)大于50 MPa 時(shí)，信號(hào)識(shí)別較好，誤差較小。當(dāng)壓強(qiáng)低于50 MPa 時(shí)，信號(hào)識(shí)別較差，誤差較大。

實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)延時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，將上下兩個(gè)彈性波探頭分別與階梯型鋁塊緊密接觸（測(cè)量距離分別為29.92、50、59.92、89.92、100，單位：mm），為消除噪音影響，設(shè)置疊加次數(shù)為 100 次，然后讀取P 波初至到時(shí)，記錄 10 次并取平均值，最終1.65 us為延時(shí)。根據(jù)前人研究結(jié)果，主要考慮到區(qū)域地質(zhì)地層概況，按照20、35、50、80、100、130、160、200、250、300、350、400、450、500 MPa 壓力設(shè)置進(jìn)行升壓，升壓至500 MPa 穩(wěn)定后，然后降壓。實(shí)驗(yàn)過程中，每次加壓、降壓后需等待30 min 左右，再進(jìn)行下一個(gè)壓力設(shè)置數(shù)值，等到位移傳感器的讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄壓力數(shù)據(jù)與此時(shí)的位移傳感器數(shù)值，為消除噪音影響，設(shè)置疊加次數(shù)為 100 次，然后讀取P 波初至到時(shí)。

為獲得樣品的主量礦物組成，采用X 射線衍射對(duì)樣品進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)在自然資源部第二海洋研究所海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用無(wú)污染碎樣方法（表面去污、人工粗碎、清洗烘干、機(jī)械細(xì)碎、球磨、裝袋）對(duì)樣品進(jìn)行粉末化處理，然后利用PANalytical X’Pert Pro 衍射儀，對(duì)粉末狀樣品進(jìn)行半定量X 射線衍射分析。X 射線源是在40 kV和40 mA 條件下Cu 陽(yáng)極發(fā)出的CuKα 輻射（波長(zhǎng)為1.5418?），并配有衍射束石墨單色儀。樣品在2θ 從5°~80°范圍內(nèi)逐步掃描，步長(zhǎng)設(shè)置為0.02°/S。使用Jade 6.0 軟件，PDF2（2004）數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行半定量相分析，結(jié)果如附表6 所示，巖石樣品主要礦物組成是石英、長(zhǎng)石、白云母、綠泥石以及其它黏土礦物。

樣品的骨架密度測(cè)量在南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院進(jìn)行，所用儀器為AccuPyc 1340 密度儀，所用方法為氣體置換法，該方法采用惰性氣體氮?dú)庾鳛橹脫Q氣體介質(zhì)，該方法精度高、重復(fù)性好。實(shí)驗(yàn)原理如圖7 所示，首先用總體積為6.371631 cm3的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小球進(jìn)行體積校正，實(shí)驗(yàn)中循環(huán)次數(shù)和吹掃次數(shù)均設(shè)置為5 次，體積校正完之后，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)小球體積并與標(biāo)準(zhǔn)體積對(duì)比，計(jì)算儀器測(cè)量誤差，最終所得儀器測(cè)量誤差范圍在0.06%~0.22%之間。將樣品密封在已知體積的樣品倉(cāng)內(nèi)（實(shí)驗(yàn)中采用10 cm3樣品腔），樣品體積達(dá)到樣品腔體積2/3 以上測(cè)量結(jié)果最佳，適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w填充到樣品倉(cāng)，達(dá)到平衡后擴(kuò)散到已知體積的擴(kuò)展倉(cāng)內(nèi)，測(cè)量體積，再次達(dá)到平衡，樣品的骨架體積Vm就可以通過氣體擴(kuò)散前后的壓力計(jì)算得出。根據(jù)公式ρm=m/Vm就可以得到樣品骨架密度，樣品質(zhì)量用天平測(cè)量。

圖7 AccuPyc 1340密度儀實(shí)驗(yàn)原理圖Fig. 7 Schematic diagram of Accupyc 1340 densimeter showing the principles of the experiments

實(shí)驗(yàn)用樣品為圓柱體，體積根據(jù)公式Vb=πr2*h 計(jì)算，其中r 為圓柱體樣品半徑，h 為圓柱體樣品長(zhǎng)度。用游標(biāo)卡尺對(duì)圓柱體樣品不同位置進(jìn)行外徑測(cè)量，取多次測(cè)量結(jié)果平均值為圓柱體樣品直徑，同時(shí)對(duì)圓柱體樣品不同位置進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，取多次測(cè)量結(jié)果平均值為圓柱體樣品長(zhǎng)度。根據(jù)公式ρb=m/Vb就可以得到樣品體密度。

鉆樣過程中，多鉆取不同編號(hào)不同方向的樣品，制成用于波速測(cè)量所需尺寸的樣品外，其它樣品制成體積滿足10 cm3樣品倉(cāng)2/3 體積的圓柱體，分別對(duì)不同編號(hào)不同方向的樣品按照上述密度測(cè)量方式測(cè)量巖石樣品的骨架密度和體密度。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

巖石樣品密度、孔隙率數(shù)據(jù)如表2 所示，巖石密度各向異性關(guān)系如圖8 所示，ρ-x、ρ-y、ρ-z 分別表示X、Y、Z 三個(gè)方向的密度，由圖可知，除了一個(gè)異常點(diǎn)的差異比較明顯外，不同方向上巖石密度的相關(guān)性較好。

表2 巖石密度—孔隙率關(guān)系Table 2 Relationship between rock density and porosity

圖8 密度各向異性關(guān)系Fig. 8 Relationship between anisotropy and density

絕大多數(shù)巖石樣品具有明顯的波速滯后性，即波速在同一圍壓下升壓和降壓過程中會(huì)得到不同的測(cè)量值，降壓過程波速一般大于升壓過程，并且降壓過程中巖石顯微構(gòu)造狀態(tài)更加穩(wěn)定（Birch, 1960,1961；Ji et al., 2007）。巖石波速、各向異性數(shù)據(jù)如附表1 所示，巖石波速各向異性A=（Vmax-Vmin）/Vm*100%，其中Vm為巖石三個(gè)相互垂直方向X、Y、Z 波速平均值，即Vm=（Vx+Vy+Vz）/3。

巖石波速、各向異性與壓力的關(guān)系如圖9 所示，巖石波速隨壓力增大呈非線性迅速增加，超過臨界壓力后呈逐漸緩慢線性增加，這是因?yàn)閹r石內(nèi)部裂縫和孔隙空間的逐漸閉合以及晶格壓縮，而線性增加則標(biāo)志著巖石彈性體積變形（Birch, 1960,1961）。巖石最快波速方向平行面理，最慢波速方向垂直面理。巖石具有波速各向異性：2%~12%之間，樣品D02-1-1 各向異性隨壓力增加而增加，趨于3.8%逐漸不變，樣品FJ002 各向異性隨壓力增加而增加，趨于7.8%逐漸不變，其余樣品各向異性變化不明顯。樣品D03-1-1、D07-1-1 面理線理定向性并不明顯，為了便于實(shí)驗(yàn)測(cè)定波速各項(xiàng)異性，任意取三個(gè)相互垂直的方向?yàn)閄、Y、Z 鉆樣，因此波速各向異性不明顯。

圖9 巖石波速—壓力關(guān)系Fig. 9 Relationships between velocity and pressure

王勤（2005）在實(shí)驗(yàn)室模擬出巖石在臨界壓力（含有孔隙、裂隙的巖石樣品在加壓過程中孔隙、裂隙完全閉合時(shí)的壓力）下快速、非線性增加的波速—壓力關(guān)系和超過臨界壓力下線性增加的波速—壓力關(guān)系，分別對(duì)應(yīng)巖石在低壓下多孔彈性狀態(tài)和高壓下純彈性狀態(tài)，使用最小二乘回歸方法，可以模擬巖石非線性和線性波速—壓力關(guān)系：V=a(lnP)2+blnP+c(P ≤Pc)和V=V0+DP(P ≥Pc)，其中P 是圍壓，a 和b 是描述臨界壓力下裂隙閉合的參數(shù)，c 是圍壓為1 MPa 時(shí)的波速，V0是無(wú)裂紋樣品的波速，D 是超過臨界壓力的固有壓力倒數(shù)。附表2 給出了R2≥0.99 的實(shí)測(cè)Vp擬合結(jié)果（Wang et al., 2005）。

6 討論

6.1 雪峰山地區(qū)新元古代巖石地震波性質(zhì)

雪峰山地區(qū)巖石波速隨壓力增大呈非線性迅速增加，超過臨界壓力后呈逐漸線性增加，對(duì)于面理、線理發(fā)育明顯的巖石來(lái)說(shuō)，巖石最快波速方向平行面理，最慢波速方向垂直面理。通過與前人相同巖性千枚巖、碎屑砂巖、泥質(zhì)板巖、凝灰?guī)r數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖10 所示，可知：巖石地震波速特征基本相似。表3（數(shù)據(jù)引自Ji et al., 2002）列出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量波速與前人數(shù)據(jù)大小誤差分析，變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖最大誤差值為19.51%，其它樣品誤差值大小小于9%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)量波速與前人數(shù)據(jù)大小基本相同。

表3 波速數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of velocity date

圖10 相似巖性巖石波速—壓力關(guān)系（實(shí)驗(yàn)樣品外數(shù)據(jù)引自Ji et al., 2002；Freund, 1992）Fig. 10 Relationships between velocity and pressure of similar lithologies

6.2 實(shí)際測(cè)量波速與理論計(jì)算波速的對(duì)比

巖石由多種礦物組成，其彈性模量Mc(t)可以由組成巖石的單礦物彈性模量Mi計(jì)算得出，具體公式如下：

式中，Vi和Mi分別是第i種礦物的體積分?jǐn)?shù)和彈性模量，Mc(t)是多種礦物組成的巖石彈性模量，t是尺度分形參數(shù)。t = 1時(shí)，是Voigt平均值（Mv）；t = -1時(shí)，是Reuss平均值（MR）；t趨于0時(shí)，極限Mc(t)是幾何平均值（MG）；Hill平均值是MH=(MV+ MR)/2，以上計(jì)算巖石樣品彈性模量的方法稱作廣義混合律（Ji et al., 2003）。

礦物柔度張量Sij是剛度張量Cij的逆矩陣，并且有如下關(guān)系：CijSij=I，I 為單位矩陣。礦物Cij、Sij參數(shù)如附表3 所示。

Watt（1987）提出了利用Voight 平均方法、Reuss 平均方法、Hill 平均方法、Geometric 平均方法計(jì)算單礦物體模量、剪切模量的方法，方法如下：

通過以上Watt（1987）提出的方法計(jì)算出單礦物體模量和剪切模量后，利用廣義混合律公式計(jì)算巖石樣品的體模量和剪切模量，然后通過公式可以計(jì)算巖石波速，計(jì)算結(jié)果如附表4 所示。其中，VV、VR、VH、VG 是用Kv、Gv數(shù)據(jù)通過廣義混合律公式計(jì)算得到的巖石樣品體模量和剪切模量，RV、RR、RH、RG 是用KR、GR數(shù)據(jù)通過廣義混合律公式計(jì)算得到的巖石樣品體模量和剪切模量，HV、HR、HH、HG 是用KH、GH數(shù)據(jù)通過廣義混合律公式計(jì)算得到的巖石樣品體模量和剪切模量，GV、GR、GH、GG 是用KG、GG數(shù)據(jù)通過廣義混合律公式計(jì)算得到的巖石樣品體模量和剪切模量。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量波速與理論計(jì)算波速之間的誤差Re可以定義為Re=(Vc-Ve)/Ve*100%，Re越小，理論計(jì)算波速與實(shí)驗(yàn)測(cè)量波速一致性越好，Re計(jì)算結(jié)果如下附表5 所示。

由附表5 所示數(shù)據(jù)可知，總共有16 種不同的計(jì)算結(jié)果，編號(hào)D01-2-1 的樣品適用于幾何平均方法，其它樣品不適用于幾何平均方法，實(shí)驗(yàn)誤差最大值是25.34%，仔細(xì)分析其它每一組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，誤差值相對(duì)較小，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)量波速基本準(zhǔn)確，為華南雪峰山地區(qū)新元古代巖石地震波性質(zhì)研究提供了波速數(shù)據(jù)資料。

7 結(jié)論

（1） 通過與前人相同巖性地震波速特征對(duì)比可知，雪峰山地區(qū)新元古代巖石地震波速與前人研究結(jié)果相同。雪峰山地區(qū)巖石波速隨壓力增大呈非線性迅速增加，超過臨界壓力后呈逐漸線性增加，對(duì)于面理、線理發(fā)育明顯的巖石來(lái)說(shuō)，巖石最快波速方向平行面理，最慢波速方向垂直面理。

（2）巖石樣品超過臨界壓力后，孔隙基本關(guān)閉，影響樣品波速的主要是樣品所含礦物。經(jīng)過理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比可知，誤差值相對(duì)較小，理論計(jì)算波速與實(shí)驗(yàn)測(cè)量波速一致性較好，雪峰山地區(qū)新元古代巖石地震波速測(cè)量結(jié)果基本準(zhǔn)確，為雪峰山地區(qū)地震資料解釋提供了波速數(shù)據(jù)。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所崔建軍副研究員、中南大學(xué)2016級(jí)碩士研究生鄭濤、徐益龍?jiān)谝巴獾膸椭?，中?guó)地震局地質(zhì)研究所陳進(jìn)宇博士、楊曉松研究員對(duì)制樣和實(shí)驗(yàn)過程中的指導(dǎo)，感謝王孝磊教授、黃周傳教授對(duì)本論文的指導(dǎo)。

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