朱建　宋偉　董建輝　劉莉

(長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司湖北武漢430074)

東昆侖中段輝石巖物性各向異性及其地質(zhì)意義

朱建宋偉董建輝劉莉

(長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司湖北武漢430074)

輝石巖對(duì)于理解地幔不均一性非常關(guān)鍵，是殼幔過(guò)渡帶的重要組成物質(zhì)。對(duì)于地球深部的了解，我們只能靠地球物理探測(cè)，而地球物理探測(cè)結(jié)果的地質(zhì)解釋，需要以巖石物理研究成果為基礎(chǔ)。對(duì)輝石巖物性各向異性的研究對(duì)于地球物理探測(cè)成果的地質(zhì)解釋具有指導(dǎo)意義。通過(guò)東昆侖輝石巖的波速和電性特征測(cè)試表明，輝石巖具有明顯的電性和波速的各向異性，與巖石中斜方輝石和單斜輝石具有較強(qiáng)的結(jié)晶學(xué)優(yōu)選方位是一致的。

輝石巖波速電性各向異性東昆侖

0　引言

輝石巖是一種特殊的巖石，化學(xué)成分上屬于基性巖，礦物成分上屬于超鎂鐵質(zhì)巖。輝石巖的成因一直倍受關(guān)注[1-3]，近年來(lái)，人們認(rèn)識(shí)到輝石巖對(duì)于理解地幔不均一性非常關(guān)鍵，其可能是除橄欖巖之外另一個(gè)重要的玄武巖源區(qū)，這為玄武巖成分的多樣性提供了合理解釋[4-8]。輝石巖還是殼幔過(guò)渡帶的重要組成物質(zhì)。對(duì)于地球深部的了解，我們只能靠地球物理探測(cè)。而地球物理探測(cè)結(jié)果的地質(zhì)解釋，需要以巖石物理研究成果為基礎(chǔ)。對(duì)輝石巖物性各向異性的研究對(duì)于地球物理探測(cè)成果的地質(zhì)解釋具有指導(dǎo)意義。

1　巖石物性測(cè)試方法

用于巖石物性測(cè)試的樣品是從大的巖塊中切割出來(lái)的近立方體巖塊，在拋光機(jī)上對(duì)巖塊的六個(gè)表面進(jìn)行拋光，打磨光滑，然后進(jìn)行測(cè)試。

巖石波速的測(cè)定是在干燥條件下，采用中科院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RSM-SY5聲波檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定的。RSM-SY5聲波檢測(cè)儀采用雙通道最小采樣間隔0.1μS、12位A／D轉(zhuǎn)換器，多種觸發(fā)方式及電平選擇，發(fā)射電壓800V／300V可調(diào)，發(fā)射脈寬連續(xù)可調(diào)，放大器增益為：-20～80db，頻帶寬為：1kHz～500kHz，具有前置模擬高通及低通濾波器，每道采樣點(diǎn)數(shù)0.5K～16K，延遲或前置時(shí)間可預(yù)設(shè)或自動(dòng)尋找初值。對(duì)巖塊對(duì)應(yīng)的三對(duì)面進(jìn)行分別測(cè)量，以A、B、C表示這三對(duì)面，分別夾持長(zhǎng)、寬、高三組棱。

輝石巖電阻率的測(cè)定在長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成：首先將標(biāo)本放置在12%的鹽水里浸泡24小時(shí)，浸泡完成后采用美國(guó)New England Research公司研制的AutoscanⅡ巖樣電性參數(shù)掃描系進(jìn)行測(cè)定。同波速測(cè)定一樣，也是對(duì)近立方體標(biāo)本的三組對(duì)應(yīng)面A、B、C進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，每組對(duì)應(yīng)面測(cè)量2個(gè)點(diǎn)以上，如果兩個(gè)測(cè)試結(jié)果數(shù)值相差較大，增加測(cè)試點(diǎn)數(shù)，以便求取的平均值具有代表性。測(cè)試環(huán)境溫度為14.7～14.9℃，測(cè)試用電磁波頻率采用低頻為主。此外，采用AutoscanⅡ巖樣電性參數(shù)掃描系測(cè)定巖石電阻率之前，先用萬(wàn)用表對(duì)干燥標(biāo)本進(jìn)行了三組對(duì)應(yīng)面的電阻率測(cè)定，以便與鹽水浸泡條件下結(jié)果對(duì)比。

2　輝石巖波速特征

常溫干燥條件下聲波速度的測(cè)定對(duì)巖塊對(duì)應(yīng)的三對(duì)面進(jìn)行分別測(cè)量，以A、B、C表示這三對(duì)面，分別夾持長(zhǎng)、寬、高三組棱，其結(jié)果列于表1中。

標(biāo)本Bgnl-1的波速在各組對(duì)應(yīng)面之間略有差別，B面Vp最高，C面Vp最低，二者比值1.17，A面Vs最高，B面Vs最低，二者比值為1.25。其中B面在三組面中Vp最高而Vs最低。標(biāo)本Bgnl-2的波速測(cè)定結(jié)果A面Vp最高，B面Vp最低，二者比值為1.24，A面Vs最高，C面Vs最低，二者比值為1.07。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，輝石巖標(biāo)本的聲波速度具有一定的各向異性。

表1　輝石巖標(biāo)本聲波速度測(cè)試結(jié)果

3　輝石巖電性特征

巖石標(biāo)本在干燥條件下，用萬(wàn)用表測(cè)量了標(biāo)本的三組對(duì)應(yīng)面之間的電阻率，結(jié)果列于表2中。兩個(gè)樣品A、B、C三個(gè)對(duì)應(yīng)面的表面積和距離測(cè)量精確到毫米級(jí)。對(duì)每組對(duì)應(yīng)面連續(xù)在不同點(diǎn)上測(cè)量三次，三次的測(cè)量結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)一致，取其平均值作為各組對(duì)應(yīng)面在干燥條件下的電阻值，然后根據(jù)各組對(duì)應(yīng)面的表面積S和面距D進(jìn)行計(jì)算，得出電阻率。電阻率計(jì)算公式是：電阻均值（KΩ）×表面積（mm2）÷面距（mm）×1000=電阻率（Ω·m）。

表2　輝石巖干燥條件下電阻率測(cè)試結(jié)果

從表2中可以看出，干燥條件下巖石標(biāo)本的電阻率值均在十萬(wàn)數(shù)量級(jí)，不同組對(duì)應(yīng)面之間的電阻率數(shù)值有差別，但同在一個(gè)數(shù)量級(jí)，且同一標(biāo)本三組對(duì)應(yīng)面電阻率相差不大，但兩個(gè)標(biāo)本之間的電阻率差別較大，Bgnl-2的電阻率大致是Bgnl-1電阻率的兩倍。表2中測(cè)量值由于是簡(jiǎn)單的用萬(wàn)用表在干燥條件下直接測(cè)量的結(jié)果，只能作為巖石電性特征的參考值。

鹽水浸泡條件下電阻率測(cè)試結(jié)果列于表3中，其中“測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)”是相對(duì)于測(cè)試標(biāo)本面的左下角頂點(diǎn)為基準(zhǔn)測(cè)量得到的。由于巖石標(biāo)本先已在12%的鹽水中浸泡了24個(gè)小時(shí)，巖石表面打磨的非常光滑，測(cè)試時(shí)電極與巖石表面接觸情況能夠保證，減少了由于電極與標(biāo)本接觸不良而導(dǎo)致電阻測(cè)試值過(guò)高的情況，這種條件下測(cè)試的結(jié)果，應(yīng)該能代表輝石巖標(biāo)本本身在常溫條件下（15℃左右）的電性特征。對(duì)比表2、表3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鹽水浸泡后的電阻率比干燥條件下明顯降低，而且各組對(duì)應(yīng)面降低程度不同。

從表3中可以看出，測(cè)試用電磁波的頻率不同，電阻率值不同，Bgnl-1A測(cè)試結(jié)果顯示高頻對(duì)應(yīng)低電阻率，而低頻則對(duì)應(yīng)高的電阻率，其他各組對(duì)應(yīng)面的測(cè)試結(jié)果卻沒(méi)有類似規(guī)律，其中有個(gè)別的測(cè)試值還正好與之相反，例如Bgnl-2C的測(cè)試結(jié)果與頻率之間正好與上述規(guī)律相反?？偟目磥?lái)，電阻率測(cè)試值與測(cè)試頻率之間并不具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。不同頻率條件下測(cè)試的電阻率值的平均值可以代表巖石標(biāo)本對(duì)應(yīng)面之間的電阻率。

對(duì)于標(biāo)本Bgnl-1來(lái)說(shuō)，A面電阻率平均值為411.33Ωm，遠(yuǎn)大于B面的28.21Ω·m和C面25.66Ω·m，A/B和A/ C的比值分別為14.6和16.0，電性各向異性非常顯著。標(biāo)本Bgnl-2同樣具有各向異性的特點(diǎn)，B面的電阻率為500.4Ω·m，遠(yuǎn)大于A面的29.71Ω·m和C面的69.70Ω·m，B/A和B/C比值分別為16.8和7.18。由于兩個(gè)標(biāo)本的A、B、C三組對(duì)應(yīng)面的方位未能對(duì)應(yīng)于野外的產(chǎn)狀，電性各向異性的方位特征無(wú)法確定，但輝石巖具有明顯的電性各向異性特征是非常確定的，電性各向異性比聲波速度的各向異性要強(qiáng)烈的多。

表3　輝石巖標(biāo)本鹽水浸泡后電阻率測(cè)試結(jié)果

4　討論與結(jié)論

常溫條件下測(cè)試結(jié)果顯示，輝石巖具有波速各向異性，其中Vp各向異性17%～24%，Vs各向異性7%～25%。在濕的狀態(tài)下，測(cè)得的輝石巖電性各向異性更為明顯，不同方向的電阻率數(shù)值相差可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于標(biāo)本Bgnl-1來(lái)說(shuō)，A面電阻率平均值為411.33Ω? m，遠(yuǎn)大于B面的28.21Ω?m和C面25.66Ω?m，A/B和A/C的比值分別為14.6和16.0，電性各向異性非常顯著。標(biāo)本Bgnl-2同樣具有各向異性的特點(diǎn)，B面的電阻率為500.4Ω?m，遠(yuǎn)大于A面的29.71Ω?m和C面的69.70Ω?m，B/A和B/C比值分別為16.8和7.18。由于兩個(gè)標(biāo)本的A、B、C三組對(duì)應(yīng)面的方位未能對(duì)應(yīng)于野外的產(chǎn)狀，電性各向異性的方位特征無(wú)法確定，但輝石巖具有明顯的電性各向異性特征是非常確定的，電性各向異性比聲波速度的各向異性要強(qiáng)烈的多。

電性和波速的各向異性特征與輝石巖中斜方輝石和單斜輝石具有較強(qiáng)的結(jié)晶學(xué)優(yōu)選方位是一致的。巖石是由礦物組成的，忽略孔隙和流體的影響，各組成礦物的各向異性的組合可以反映巖石整體的各向異性特征[9]。

總之，輝石巖具有明顯的電性和波速的各向異性，與輝石巖中斜方輝石和單斜輝石具有較強(qiáng)的結(jié)晶學(xué)優(yōu)選方位是一致的。

[1]Frey F A.The origin of pyroxenites and garnet pyroxenites from Salt Lake Crater,Oahu,Hawaii:trace element evidence.Am.J.Sci, 1980,280:427-449.

[2]Liu Y,Gao S,Lee C T A,et al.Melt-peridotite interactions: Links between garnet pyroxenite and high-Mg#signature of continental crust.Earth and Planetary Science Letters,2005,234(1):39-57.

[3]Downes H.Origin and significance of spinel and garnet pyroxenites in the shallow lithospheric mantle:Ultramafic massifs in orogenic belts in Western Europe and NW Africa.Lithos,2007,99(1-2):1-24.

[4]Blichert-Toft J,Albarède F,Kornprobst J.Lu-Hf isotope systematics of garnet pyroxenites from Beni Bousera,Morocco:implications for basalt origin.Science,1999,283(5406):1303.

[5]Carlson R W,Nowell G M.Olivine-poor sources for mantle-derived magmas:Os and Hf isotopic evidence from potassic magmas of the Colorado Plateau.Geochemistry,geophysics,geosystems.,2001,2 (6):1034.

[6]Hirschmann M M,Stolper E M.A possible role for garnet pyroxenite in the origin of the"garnet signature"in MORB.Contributions to Mineralogy and Petrology,1996,124(2):185-208.

[7]Lundstrom C C,Shaw H F,Ryerson F J,et al.Crystal chemical control of clinopyroxene-melt partitioning in the Di-Ab-An system: implications for elementalfractionationsinthedepletedmantle. Geochimica et Cosmochimica Acta,1998,62(16):2849-2862.

[8]Prinzhofer A,Lewin E,Allegre C J.Stochastic melting of the marble cake mantle:evidence from local study of the East Pacific Rise at 12 50'N.Earth and Planetary Science Letters,1989,92(2):189-206.

[9]章軍鋒,王永鋒,金振民.變形組構(gòu)引起的超高壓榴輝巖地震波速各向異性.中國(guó)科學(xué)D輯,2007,37(11):1433-1443.

P61[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-55-2