地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (5): 1856-1866   PDF    
龙马溪页岩弹性各向异性与矿物分布之间的关系探讨
伍宇明1, 兰恒星1,2, 黄为清3     
1. 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101;
2. 西安大学地质工程与测绘学院, 西安 710054;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
摘要:岩石弹性各向异性特征是普遍存在的,但导致岩石弹性各向异性的原因复杂且仍然存在一定争议.本研究以龙马溪页岩为例,试图建立页岩弹性各向异性和矿物分布之间关系.研究使用无损超声波探测获取岩石弹性各向异性参数,并使用背散射技术获取岩石矿物分布特征.研究通过引进变异系数来描述矿物或孔裂隙在不同方向的差异性,并通过2个正交方向的变异系数建立微观异质性指标,用于表征微观尺度上矿物或孔裂隙在不同方向的差异程度.微观背散射图像显示,龙马溪组页岩主要由石英和伊利石构成,且这两种矿物和孔裂隙在X和Y面上都有定向排列特征.相应地,它们的变异系数在X面和Y面上均表现出随角度增大而降低的特征;而在Z面,石英、伊利石和孔裂隙变异系数变化不明显,这与Z面上矿物和孔裂隙无明显方向性的特点一致.无损超声波探测结果显示,波速在X和Y面上随角度增加而减小,这与主要矿物和孔裂隙变异系数变化趋势相同;而在Z面,波速变化不大,与主要矿物和孔裂隙变异系数变化不明显的特征一致.以上观测结果说明,宏观波速与矿物的微观变异系数明显相关,暗示岩石弹性各向异性与矿物分布直接相关.
关键词: 波速      矿物分布      异质性      各向异性     
Discussion on the relationship between elastic anisotropy and mineral distribution of Longmaxi Shale
WU YuMing1, LAN HengXing1,2, HUANG WeiQing3     
1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Adademy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. School of Geological Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710064, China;
3. Institute of Geology And Geophysics, Chinese Adademy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: Anisotropy is a common characteristic of rock elasticity. However, the factors inducing elastic anisotropy of rocks are complex and still controversial. This paper aims to inspect the relationship between elastic anisotropy and mineral distributions of rocks using the Longmaxi Shale from Chongqing, China. The mineral distributions on three orthogonal directions were obtained by AmicSCAN (a back scattered electron detector) on 3 mm×3 mm×1 mm samples, and the P-wave and S-wave velocities, which characterize rock elasticity, were measured by Panametrics-NDT transducer. A variation coefficient was introduced to characterize the variation of minerals and fractures in certain directions. The variation indices in two orthogonal directions were used to establish a heterogeneity index to characterize the difference of minerals and pores in different directions. The micro back scattered images showed that the Longmaxi shale was mainly composed of quartz and illite, and both the two principal minerals and pores are well-oriented on the X-plane and Y-plane. In addition, both the variable coefficients of the two principal minerals and pores decrease with the increase of the angle to the direction of the large principal stress on the X-plane and Y-plane. However, there are no differences in variable coefficients on the Z-plane. In term of acoustic characteristics, the velocities and anisotropy indexes show similar rules, which may be related to the heterogeneity of distributions of quartz, clay minerals, and pores. These results indicated that the elastic anisotropy was caused by minerals, pore and crack distribution.
Keywords: Acoustics velocity    Mineral distribution    Heterogeneity    Anisotropy    
0 引言

岩石是矿物颗粒的集合体,矿物晶体颗粒的异质性与排列方式导致岩石在不同方向上具有不同模量,而非理想弹性体.这种矿物颗粒的复杂性常造成理论模型难以应用到实际中.此外,岩石弹性各向异性对岩石压裂拉张破坏过程(Lan et al., 2010, 2019)有着非常重要的影响(胡起等, 2014刘财等, 2018).

目前,研究已经普遍认识到矿物和裂缝的含量、分布与弹性各向异性之间有着密切联系.在岩芯尺度上,一些具有层理分布的岩石(如:板岩、页岩)表现出明显层状各向异性的特点.在矿物晶体尺度上,某些矿物(云母、石英)(Shea and Kronenberg, 1993; Voltolini et al., 2008)、裂缝(Kwon et al., 2004)、甚至是黏土(Hornby et al., 1994; Sayers, 1995, 2013Sayers and den Boer, 2016, 2018)都会导致岩石弹性的各向异性.各向异性影响着岩石的应力应变特征(Liu et al., 2019; Liu and Yang, 2018).但是目前,从微观尺度研究宏观各向异性的研究较少.

随着数字岩心技术的出现,岩石的矿物分布和内部结构得到了充分细致的描述(Madonna et al., 2012; Zhu and Shan, 2016).CT技术能够无损探测孔裂缝特征(Spane et al., 1994;Coker et al., 1996),电子背散射(EBSD)能够精确识别矿物晶体的取向(Valcke et al., 2006; Bascou et al., 2001; Burlini and Kunze, 2000; Lloyd and Kendall, 2005; Pera et al., 2003),这些技术为研究微观矿物和岩石弹性参数关系提供了新的技术途径.已有研究揭示(Zhong et al., 2014)晶格取向对弹性各向异性特征影响较形态择优取向更明显,但尚没有建立能够明确刻画不同矿物分布特征对于各向异性的影响方法.

针对这一问题,本研究以龙马溪组页岩为例,利用能谱技术识别矿物分布特征和室内声波技术分析岩石弹性各向异性,并采用空间分析方法建立两者之间的联系,试图从实验室尺度研究岩石矿物空间分布和弹性各向异性之间的联系.

1 方法 1.1 宏观弹性各向异性表述方法

根据广义胡克定律(Mah and Schmitt, 2003; Markham, 1957),弹性材料的刚性矩阵可以表示为

(1)

其中,Ci, j是弹性张量,σxσyσz为三个方向的正应力,τxyτyzτxz为剪应力.εxεyεz为正应变,γxyγyzγxz为三个方向的剪应变.根据弹性波理论,一维波动方程的通解公式为

(2)

其中,Ui为质点的位移量,Ai为振动强度,λ是波长,nr是方向矢量,xr是位置矢量,v是波速,t是时间.联立方程(1)和(2),可得到克里斯托费尔方程,即:

(3)

其中,

(4)

联立方程(3)和(4),可以利用最小二乘法求得各个方向的弹性张量(Cij)(Markham, 1957).一般地,从不同角度观察,可得到不同的弹性张量矩阵(Cij),也可以通过旋转变换,获得最简矩阵.Thomsen曾提出了3个指数(Thomsen, 1986)来表征横向各向同性模型(VTI)的各向异性特征,分别为

(5)

(6)

(7)

其中,εγ分别为纵波和横波的各向异性指数,σ是慢度的各向异性指数.这三个量是目前普遍采用描述宏观弹性各向异性特征的主要参量.但是,当岩石模型不满足横向各向同性模型(VTI)时,该三个指数可能不能够准确反映岩石的各项异性特征.因此,研究参照这三个指数建立新的波速差异性系数An:

(8)

其中,ρ为密度,v是任意一方向的波速和v′为与v方向垂直的波速.

1.2 微观矿物异质性表述方法

在微观方面,目前尚未有一个相应的指数来表征矿物分布的特征.为此,本文提出一个矿物微观异质性参数的概念.首先定义某种矿物在观测面上某个排列方向上的变异系数:

(9)

其中,σi为某种矿物在i方向线含量的标准差,μi为某种矿物在i方向线含量的均值.在任一测线s上,某种矿物的线含量C(s)为

(10)

其中,f(x)为该矿物在x位置的含量,L为测线总长度.其均值和标准差分别为:

(11)

(12)

公式中n为该矿物在s射线方向上的射线数量.参照宏观各向异性定义,利用任意的两个正交方向的变异系数来建立微观异质性描述参量,即,矿物微观矿物异质性系数定义为:

(13)

其中,di为某个排列方向上的变异系数,d′i是排列方向的垂直变异系数.下面四种特殊情况可说明该矿物微观异质性系数的特点.

图 1显示了4种不同的微观分布特例,图 1a图 1d是没有异质性的,而图 1b图 1c是存在明显异质性的.计算结果得知,图 1a图 1d在各个方向上的矿物A和矿物B的异质性指数均为0.而图 1B图 1c在不同方向上的异质性系数是不同的,图 1b矿物A和矿物B在竖直方向和水平方向的差异最大,最大异质性系数为0.5,而在图 1c上,矿物A和矿物B在45°上的差异为最大的,最大异质性系数也为0.5.由此可见,微观异质性系数可以较好描述岩石矿物的微观异质性特征.

图 1 微观分布指标的四个特例(浅蓝色是矿物A,红色是矿物B) Fig. 1 Four cases studies (mineral A is shallow blue and mineral B is red)
2 实例研究 2.1 岩石样品特征

岩样采集地点是重庆涪陵地区(图 2),采样区域在山体内部开挖几十米深处.从现场测量看,露头区域的岩面非常平整,层理性强,节理发育,浓黑色,并有黄铁矿层,岩石层面产状:330°∠35°,样品的密度为2.6 g·cm-3.采集的样品中根据地质图标记出相关的主应力方向,其中x轴为最大主应力轴(σ1方向),y轴为次主应力轴(σ2方向),z轴为最小主应力轴(σ3方向),其中X面为垂直σ1方向的面,Y面为垂直σ2方向的面,Z面为垂直σ3方向的面.在同一岩块上,在X面、Y面和Z面表面分别挖取一块样品,制成3块3 mm×3 mm×1 mm的薄块,其中最大表面分别对应于X面、Y面和Z面,并进行亚离子剖光,用于观测样品在微观下的特征;同时在相同岩块中以主应力方向作为边线取出一个30 mm×30 mm×30 mm的立方体,并把8个角切去部分做成声波测试样,用于声学各向异性测量.

图 2 样品特征((a)是采样地区现场;(b)是微观岩块;(c)是SEM照片) Fig. 2 Rock sample ((a) photo of field work; (b) micro sample; (c) SEM)

岩石微观测量是在中国科学院地质与地球物理研究所的矿物分析电镜上(AmicSCAN)完成.该设备根据x光能谱判断矿物晶体的分布.在该设备上,对X面,Y面和Z面分别获取样品进行了矿物晶体分布的测量.统计结果显示:岩样主要矿物为石英和伊利石,其他矿物含量较低(表 1).从不同观察面看,石英、伊利石分布不均匀,并且石英多被伊利石包裹;在X面和Y面上,石英和伊利石呈现出隐隐的条带状分布,层状堆积面应该是平行于Z面(图 3图 4);而在Z面上,矿物的定向分布不明显(图 5).这一点符合现场的层理特征(兰恒星等, 2017, 2018).

表 1 各种矿物的含量表 Table 1 Mineral contents on three planes
图 3 X面不同射线方向上的矿物分布 Fig. 3 Mineral distributions on the X-plane
图 4 Y面不同射线方向上的矿物分布 Fig. 4 Mineral distributions On the Y-plane
图 5 Z面不同射线方向上的矿物分布 Fig. 5 Mineral distributions on the Z-plane

此外,孔裂隙分布与石英、伊利石有着密切联系(图 6).石英附近的孔裂隙主要分布在晶体间,穿晶裂缝较少.伊利石附近孔裂隙既存在晶体内部也存在晶体间,且微裂缝常延伸到石英矿物之前.不同观察面的孔裂隙是不同的.在X面上,孔裂隙含量较多,指向y轴方向为主,孔裂隙的面含量最大(6.04%);Y面上次之,指向x轴方向为主,孔裂隙的面含量为中间值(5.63%);Z面上最少,孔裂隙没有明显方向性,裂隙的面含量(3.00%)为最小值.

图 6 裂缝的微观分布特征((a)是晶间裂缝特征; (b)是晶内裂缝特征) Fig. 6 Micro distribution of cracks ((a) Inter-crystalline fracture and (b) Intra-crystal fracture)
2.2 岩石声学性质

岩石声学测试是在中国科学院地质与地球物理研究所岩石物性实验室岩石弹性参数测试仪上完成(图 7).脉冲发生接收器为泛美公司的5077PR产品.示波器为Tektronix的TDS210,数据采集速率为50 MHz,时间分辨率为0.02 μs,声波换能器的频率为1 MHz,总体测量精度优于0.5%.实验中,超声换能器分别置于样品的两个平行端面,纵波测量使用一对纵波换能器,横波测量使用一对剪切横波换能器.实验开始前,先用游标卡尺测量2个测量面之间的距离,再将换能器直接对接,确定系统基时,然后再对样品进行声学测量.计算波速公式为

图 7 声学各向异性实验探测 (a)样品形态; (b)声波设备. Fig. 7 Acoustic equipment (a) Struct of sample; (b) Acoustic equipment.

(14)

其中, l为岩样测量面之间的距离,t为声波走时,t0为对接探头时确定的系统基时.测量时,样品沿最大主应力方向标记为x方向,次主应力的方向为y方向,最小主应力方向为z方向,三个主应力方向相互垂直.基于该定义,不同测点上声波传播方向、振动方向和获得的纵横波速度如表 2所示.

表 2 不同方向纵横速度 Table 2 Acoustic velocity in different directions

根据表 2测量的结果,研究假定样品满足横向各向同性模型(VTI)(Zhubayev et al., 2016; 汪虎等, 2017; 张冰等, 2018).该样品的刚性矩阵可以表示为

(15)

利用式(1)—(4)联解,可得该样品的刚性矩阵为

(16)

其中C矩阵的单位为10 GPa.从获得的刚性矩阵看出,z轴方向的弹性参数(C33)为x轴(C11)弹性参数和y轴弹性参数(C22)的0.75倍,说明岩石存在明显层理特征.

3 讨论 3.1 宏观波速与微观变异系数之间的关系

为了研究样品声波和矿物、孔裂缝之间的关系,分别在不同观察面(X,Y和Z)上,按照不同的夹角统计了主要矿物(石英和伊利石)和孔裂隙的变异系数(图 8).研究结果显示主要矿物变异系数随角度的变化在不同面上呈现出明显的异质性.在X面上(图 8a8d),石英、伊利石和孔裂隙的变异系数随着角度的增大而降低,特别是孔裂隙的降幅最大,在45°附近急降到最小值附近,随后随角度增大维持在低值.在Y面上(图 8b8e),同样观察到矿物的变异系数随着角度明显变化.石英变异系数在角度小于45°时呈现高值、而在大于45°后为相对低值;伊利石的变异系数先是随角度增大而逐步降低,在45°附近达到低值,随后随角度增大保持低值.孔裂隙变异系数随角度呈V型变化,在45°附近达到最低值.在Z面上(图 8c8f),石英、伊利石和孔裂隙变异系数随角度没有明显变化.相应地,当垂直层理时(X面和Y面的角度为90°时),纵波波速和横波波速最低,而当平行层理时(X面和Y面的角度为0°时),纵波波速和横波波速最高.Z面为平行层理面,所观察到纵波波速和横波波速基本不变.波速变化特征与先前的研究结果一致(伍宇明等, 2016).

图 8 波速和主要矿物之间在各个角度的关系(α为变化角度) Fig. 8 Relationship between mineral distribution indexes and acoustic velocity (α is the angle between the large principal stress and the directions of measurement)

岩石纵波速度与矿物和裂缝之间的变异系数的相关性统计列于表 3.岩石纵波速度与石英变异系数的相关系数在X、Y和Z面上都达到了0.7以上.波速与裂隙、伊利石变异系数的相关系数在X和Z面也很高,但在Y面相对低.孔裂隙和波速之间相关系数在X面上高达0.94,而在Y面上为0.33,与X面相关系数相差接近3倍,这说明孔裂隙对于波速的影响较为复杂.上述数据说明,宏观波速与微观变异系数是有明显相关性的,主要矿物的分布特征是影响波速随方向变化的主要因素.

表 3 不同矿物及孔裂隙变异系数与波速之间的绝对相关系数 Table 3 Absolute correlation between mineral distribution index and acoustic velocity
3.2 宏观各向异性与微观异质性的关系

岩石波速的各向异性可以使用波速差异性系数(公式8)来表征,而岩石的微观分布方向性可以用微观异质性系数来刻画.图 9显示波速差异性系数与微观异质性系数的关系.在X面和Y面上,石英、伊利石和孔裂隙的微观异质性系数呈现明显随角度增大而下降的趋势,孔裂隙的微观异质性系数甚至在45°附近出现断崖式下落.而在Z面上,矿物和孔裂隙的异质性系数变化不明显.这说明在X面和Y面上,矿物和孔裂隙具有明显的定向排列特征,而在Z面上属于均质分布.而纵波速度和横波速度的差异性系数在X和Y面都表现出随角度增大而下降的行为,显示出矿物和孔裂隙异质性系数存在明显的正相关特征.在Z面上纵波速度和横波速度的差异性系数基本不变,与Z面上矿物和孔裂隙的异质性系数的表现相一致.这说明,纵波速度和横波速度的差异性系数是依赖岩石的微观分布的.这和宏观上波速的方向性变化是依赖于层理的认知是一致的.纵横波波速一般在平行层理方向上最大,垂直层理方向上最小(伍宇明等,2016),实验室的三轴测量结果也指出了这种行为特征(Chen et al., 2018).这些结果表明宏观各向异性与微观矿物分布具有高度相关性,说明微观矿物分布特征应该是导致弹性各向异性的主要原因.因此,各向异性特征可能是微观矿物分布的一种宏观表现.对于这种异质性和各向异性的关系,传统岩石物理模型(Reuss,1929Voigt, 1928)不能够充分表达这一特征,因此,需要发展更加完善的微观岩石物理模型来刻画这种关系.

图 9 微观异质性系数和宏观声波的差异系数关系(α为变化角度) Fig. 9 Relationship between mineral distribution index and acoustic velocity index (α is the angle between the large principal stress and the directions of measurement)
4 结论

研究建立了微观异质性指标,并和岩石的宏观弹性各向异性特征建立了联系,得出以下三点结论:

(1) 微观背散射图像显示龙马溪组页岩主要由石英和伊利石构成,且这两种矿物在X和Y面上都有很好的定向排列特征.孔裂隙也表现出定向排列性质.相应地,主要矿物和孔裂隙变异系数在X面和Y面上表现出随角度增大而降低的特征,特别是孔裂隙的降幅最大.而在Z面,主要矿物和孔裂隙变异系数变化不明显,与Z面上矿物和孔裂隙无明显的方向性一致.

(2) 在X和Y面上,波速随角度增加而减小,与主要矿物和孔裂隙变异系数变化趋势相同.而在Z面上,波速变化不大,这与主要矿物和孔裂隙变异系数变化不明显的特征一致,这说明,宏观波速与微观变异系数是有明显相关性的.

(3) 波速的差异性系数与主要矿物和孔裂隙的异质性系数在X和Y面都表现出随角度增大而下降的行为,显示出它们之间存在正相关特征.波速的差异性系数在Z面上基本不变,与Z面上矿物和孔裂隙的异质性系数的表现相一致.这说明,宏观波速差异性系数是依赖微观异质性系数,这和宏观上波速的方向性变化依赖于层理的认知是一致的.宏观各向异性性质与矿物的分布异质性具有高度相似性,说明微观矿物和孔裂隙分布特征应该是导致弹性各向异性的主要原因.因此,各向异性特征是微观矿物分布的一种宏观表现.

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