辽西地质走廊带岩石物性在岩石成因研究中的应用

李 阳,韩立国,孟兆海,徐学纯,李凤婷,董思源,周 帅

1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026

2.吉林大学地球科学学院,长春 130061

3.天津航海仪器研究所,天津 300131

0 引言

岩石物理性质研究在地质学、矿物采集、岩心、地球物理以及工程等多个科学领域中得到了广泛应用[1]。岩石理物性质(密度、弹性波速度、磁化率、电阻率和光谱等,简称物性)和岩石地球化学性质是岩石最重要的物理和化学属性,岩石地球化学已成为岩石成因研究中的一种重要手段[1],与之相比,岩石物性用于岩石成因的研究却很少。岩石物性作为岩石最基本的物理参数,在地球科学问题解决中具有非常深远的意义,对地质事件的发生和矿产资源的分布起到一定的影响和控制作用[2]。岩石物性参数的差异性变化对地质构造特征研究具有重要作用,物性之间的内在联系分析和不同地质环境下的岩石特征研究,对地质构造单元和各级断裂单元的划分具有很好的借鉴意义。区域性的岩石物性参数测量与研究对深部地球物理资料解释,以及地球深部动力学演化规律揭示都具有很重要的参考价值[3]。

岩石物性主要受岩石内部结构属性以及外部物理因素的影响。其中,岩石密度是岩石物理结构变化的主要特性,与岩石的形成环境以及后期的沉积环境有很大关系,岩石密度研究对岩石宏观物理环境的变化探讨具有极其重要的意义[4]。影响岩石弹性波速度的内在因素主要有岩石物质组成、单晶体性质、矿物分布状态、孔隙度及其排列的方式和孔隙流体等,外在因素主要为温度和压力,其中压力可分为围压、差应力和孔隙压[2, 5]。根据结晶岩的矿物成分、成因类型与高压室温下波速绝对值的关系,以及高温高压下岩石波速与物性变化的关系探讨岩石的分类,进而可以通过这些关系来研究构造演化问题[6]。岩石磁化率是表征岩石受磁化难易程度的物理量,它与岩石中化学元素的关系较为密切,而且受外部地球磁场影响较大,反映岩石形成时外部地球磁场的变化,记录后期地球磁场变化的特征,是地球磁学研究的基础[7]。岩石磁化率在岩石成因中的研究始于20世纪上半叶[8],早期主要用于研究沉积物与沉积岩[9-12]。岩石磁化率主要受岩石中磁性矿物种类、粒度、化学成分、含量、氧化物状态以及所处温度、压力等条件的影响。利用岩石磁化率与矿物磁化率的关系可探索地质体与岩石单元磁化率的关系[13]。磁化率在花岗岩成因分类及岩浆演化研究中具有重要作用[14-16]。岩石电阻率主要受岩石矿物及所含水的导电率、含水量、岩石结构构造以及地质环境变化等因素的影响。岩石电阻率的研究是地下深部电性结构研究的重要内容,可以帮助人们研究某些地区的构造演化问题[17]。岩石的光谱特性与其内在的物理化学特性紧密相关,主要受岩石的物质成分和结构差异的影响,对岩石外部的物理环境变化非常敏感,是研究岩石特征的重要参数。

随着遥感技术在地学领域的应用取得的巨大进步,人们越来越关注遥感方法的应用[18-19]。反射率作为地面岩石的本质属性之一,能够在不同波段反映出岩石的不同光谱特征,这些光谱信息与岩石特征相结合可以有效区分不同的岩石类型。岩石的反射光波谱与矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度和色泽都有关系[20-22]。岩石的结构构造以及所处地质环境的变化将引起岩石这些物性参数发生不同的变化,宏观上表现为岩石物性与光谱特征之间的相关关系,可以利用这种相关特征探索性地研究岩性分类问题。

岩石物性参数是研究地下结构、构造演化等关键地球科学问题的重要因素,传统的岩石物性研究方法都是对少量岩石标本样品进行实验室物性分析,以分析结果作为地球物理数据解释的基础。随着高光谱遥感技术的飞速发展,通过仪器可以快速、有效、准确地测量出岩石光谱,同时其他岩石物性测量的手段也逐渐完善,使岩石光谱与岩石其他物性实时研究、并形成科学体系成为可能。在地球科学研究中,这是一个新兴的研究方向,具有非常深远的意义。目前,已经有很多学者开始研究岩石的地球化学组成与光谱之间的关系[18-23],但关于这方面的研究非常有限[23-25],而以研究岩石光谱属性与岩石其他物性的相关特征来解决岩石构造成因的方法就更少。本文选取地质情况较为复杂且可以代表一些主要地质现象的地区——辽西地质走廊带进行岩石物性研究,以实验室岩石物性测定为基础,研究实验室条件下岩石物性参数相关特征与岩石特性之间的内在联系,分析不同岩石类型的密度、弹性波速度、磁化率以及电阻率与遥感光谱反射率之间的相关性,尝试通过这种内在关系定性、半定量地解决该区域的地质问题,并推广到其他实际地球科学问题的解决中。

1 研究区概述

岩石基础性研究的选址非常重要,研究区域的岩石类型要丰富,岩性特征具有一定的代表性。此次选取辽西地质走廊带作为研究区域。辽西地质走廊带位于辽宁省西部,其地层区划属于华北地层区、燕辽地层分区、辽西小区,地层为典型的华北型序列,出露地层较为完整、地层发育较为齐全。太古宇结晶基底之上依次发育中--新元古界(长城系、蓟县系、青白口系)、古生界(寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系)、中生界(三叠系、侏罗系、白垩系)和新生界(第四系更新统和全新统)(图1)。研究区内发育多期次的侵入岩和2个期次的旋回火山岩系。沉积岩和火成岩发育良好,唯一缺陷是缺少变质岩样本,适合做沉积岩和火成岩岩石物性与光谱反射率之间的相关性研究,是研究岩石物性与其化学组成之间关系的一个良好的天然实验基地。

据文献[26]修编。

2 岩石物性与光谱反射率分析方法

在地质统计学的理念中,相关性分析占有非常重要的地位,是研究随机变量之间相关关系的一种重要统计方法,一般被用来研究对象之间是否存在某种依存关系,并对具有依存关系的随机量进行相关方向与相关程度的探讨。相关是表征两个随机变量统计关系强弱的指标,相关性分析广泛应用于医学、社会学、心理学、通信、网络、财务、经济和大气等不同领域。为了定量描述不同的相关关系,本文采用经典方法——统计学奠基人K．Pearson提出的积矩相关系数(Pearson’s product moment correlation coefficient, PPMCC)法[22],主要用于度量两个随机变量之间线性关系的强弱[23]。相关系数的取值范围为[-1, 1],其值越接近1或-1说明它们的关系越密切。本文以岩石物性(密度、弹性波速度、磁化率和电阻率)与光谱反射率的相关特征为基础,分别计算岩石光谱各波段(350～2 400 nm)反射率与岩石物性之间的相关系数,通过相关系数分析探讨岩石光谱与岩石其他物性的相关关系。

岩石物性与光谱反射率的相关系数计算公式如下:

式中:Pi为第i块岩石标本的物性值;N为岩石标本数;Sref i为第i块岩石标本的光谱反射率;R为岩石物性值与光谱反射率的相关系数。

3 岩石标本采集及测定

在辽西地质走廊带以及邻区地质区域(图2)进行岩石标本采集,保证岩石分布在研究区域的各个地层,并在室内进行了镜下标本定名,以便更好地对采集的岩石样本进行岩性分类。

图2 辽西地质走廊带岩石物性分析采集区域地质图以及相应岩石标本采集位置

本研究使用便携式高性能光谱仪ASD FieldSpec Pro FR对研究区岩石样本进行可见光红外光谱反射率测量,测试波谱范围为350～2 500 nm,2个短波红外通道(swir 1和swir 2)光谱范围分别为900～1 850和1 700～2 500 nm,2个通道的波段范围存在很小程度的重叠。可见光波段范围的光谱采样间隔为1.4 nm,分辨率约为3.0 nm;近红外波段范围的光谱采样间隔为2.0 nm,分辨率为6.5～8.5 nm,根据仪器工作的现场视角决定具体分辨率。在无光照暗室条件下,选用直接接触方式对岩石样本进行可见光近红外光谱测量。图3为岩石光谱测量实验的记录照片。光谱仪选用50 W的卤素灯光源,测量工作开始前将仪器预热20 min,仪器预热期间同时开启光源。采用白板定标对光谱仪进行校准,每隔10 min将仪器进行白板重定标,每个岩石样本采集10条光谱,以算术平均值代表该岩石样本的光谱反射率实际值。

图3 光谱分析工作照

岩石密度由中国台湾生产的MH-600Z密度仪测定;弹性波速度由美国生产的安捷伦E1437A波形记录仪测定;磁化率由捷克生产的SM-30磁化率仪测定;电阻率由中国产的YDC-Ⅱ电阻率测定仪测定。

4 结果分析

岩石物性参数受岩石构造、岩石成分和地质环境等内外因素的影响。因此,在分析岩石物性之间的相关关系时,应先将岩石进行分类,再进行不同岩石类型物性之间的相关性研究,以便分析各类岩石的特征,为后续利用岩石物性相关性特征研究岩石分类提供基础性研究资料。表1列出了辽西地质走廊带岩石样品的分类,以及各类岩石样品的数目、矿物类型和形成时代。将每类岩石样品的密度、弹性波速度、磁化率、电阻率与岩石光谱反射率做相关性分析,得到如下分析结果。

表1 辽西地质走廊带岩石样品类型

4.1 沉积岩物性与光谱反射率的相关性

研究区内沉积岩主要分为两大类:内源沉积岩(白云质灰岩、灰岩、含燧石条带白云岩和白云岩)和陆源碎屑岩(石英砂岩、长石砂岩和长石石英砂岩)。研究这两类岩石物性参数的相关特征来判断岩石的类型。

从图4a、b中可以看出,内源沉积岩与陆源碎屑岩的物性相关特征明显不同,两类岩石的光谱反射率与密度、弹性波速度、磁化率和电阻率相关特征具有明显差异,其成岩环境也有所不同。整体上内源沉积岩和陆源碎屑岩的物性与光谱反射率的相关程度较弱,从统计学角度无法直接应用岩石物性与光谱反射率进行岩石特征研究。

a. 内源沉积岩;b. 陆源碎屑岩;c. 白云质灰岩;d. 灰岩;e. 含遂石条带白云岩;f. 白云岩;g. 石英砂岩;h. 长石砂岩;i. 长石石英砂岩。

4.1.1 白云质灰岩

白云质灰岩的密度与光谱反射率正相关,相关系数在波长400～2 200 nm缓慢增加,在2 200～2 500 nm出现较大的波动,整体集中在0.2～0.4;在1 000 nm出现明显的跳台,在2 300～2 380 nm出现急速上升后下降的特征;在2 350 nm左右相关性最好,相关系数最大值为0.41,在2 200～2 500 nm曲线呈现类似正弦曲线的形式(图4c)。因此,白云质灰岩的密度会影响白云质灰岩2 000～2 400 nm波段反射率的特性,对白云质灰岩的形成研究有一定的价值。白云质灰岩的弹性纵波速度与光谱反射率负相关,整体相关性较好,短波长附近相关系数绝对值在0.4附近变化,相关系数绝对值最大为0.470 3;整体变化特征与密度和光谱反射率的相关系数相似,在400～1 000 nm相关性较高,相关系数绝对值保持在0.4附近,在1 000～2 200 nm相关性逐渐减弱,在2 200～2 500 nm出现较大波动。白云质灰岩弹性横波速度和电阻率与光谱反射率的相关系数在0附近,在400～2 500 nm由负向正缓慢变化;弹性横波速度与光谱反射率的相关系数在2 300～2 500 nm和密度与光谱反射率的相关系数变化趋势一致,而电阻率与光谱反射率在2 000～2 500 nm之间基本不存在相关特征。白云质灰岩弹性横波速度和电阻率与光谱反射率不存在相关性,可以从另一角度来确定该岩石的特性。白云质灰岩磁化率与光谱反射率负相关,相关系数在-0.2附近,在1 900 nm后出现缓慢降低。白云质灰岩的密度、弹性波速度、磁化率、电阻率与光谱反射率的相关特征具有其独特性,通过分析白云质灰岩密度、弹性纵波速度、磁化率与光谱反射率的相关性分布特征,以及电阻率和弹性横波速度与光谱反射率的非相关性对岩石基础属性进行判别,并与其化学成分进行综合分析,推断白云质灰岩具有更加稳定的成岩环境,沉积过程中受外界物理环境变化影响较小。

4.1.2 灰岩

灰岩物性与光谱反射率基本呈负相关关系,其中光谱反射率与弹性纵波速度的相关性最好,相关系数绝对值在0.598附近,而与磁化率的相关性最差,相关系数基本上在0附近(图4d)。灰岩的弹性波速度和电阻率与光谱反射率之间的相关系数绝对值在350～500 nm快速增大,在500 nm以后逐渐平稳,在2 350 nm附近出现巨大波动。灰岩的密度与光谱反射率之间的相关系数曲线变化趋势与以上3条曲线类似,但在450 nm附近波动相反,在2 350 nm之间浮动变化与其他曲线不同,相关系数绝对值增加有所减小,相关性较弱。从灰岩物性与光谱反射率的相关特性出发,从正负相关性的变化可以对灰岩与白云质灰岩进行区分,也可以对这两类岩石的成岩环境进行对应性分析。

4.1.3 含燧石条带白云岩

含燧石条带白云岩物性与光谱反射率之间的相关系数有正有负,密度和磁化率与光谱反射率之间的相关性好(图4e)。含燧石条带白云岩的密度与反射率的相关系数变化范围为-0.946 0～-0.068 7:在350～400 nm之间相关系数绝对值非常小,相关性不好;在400～600 nm之间急剧减小,慢慢趋于平缓。含燧石条带白云岩的磁化率与反射率的相关系数变化范围为0.449 4～0.879 2,从350 nm开始缓慢减小,逐渐趋于平稳,曲线与密度的相关曲线相似。含燧石条带白云岩的弹性纵波速度和弹性横波速度与光谱反射率之间的相关系数曲线形态整体一致,相关系数变化平稳,变化范围分别为-0.524 4～-0.244 0和-0.524 4～-0.141 6。含燧石条带白云岩的电阻率与光谱反射率的相关系数曲线同密度和磁化率与光谱反射率的相关系数曲线较为一致,但是其变化的幅度非常大,在-0.423 5～0.449 3之间。从含燧石条带白云岩密度与光谱反射率的强负相关特性中可以了解到,其成岩环境与其形成的沉积环境有很大的关联性,利用岩石密度与光谱反射率之间的相关性可以有效地对含燧石条带白云岩进行分析与判别。同时,含燧石条带白云岩磁化率与光谱反射率之间具有强正相关特性,说明内部磁性物质在成岩过程中并没有被完全破坏,可以间接推断含燧石条带白云岩的成岩特征。通过含燧石条带白云岩的岩石物性与光谱反射率的相关性分析,可以对含燧石条带白云岩类岩进行分析与判别。

4.1.4 白云岩

白云岩密度、弹性波速度和电阻率与光谱反射率相关系数曲线的形态相似,在1 400、1 900、2 200、2 400 nm附近出现极值(图4f)。白云岩的弹性波速度与光谱反射率的相关系数在350～2 500 nm之间大致成上升状态。磁化率与光谱反射率基本为正相关,只有在420 nm之前为负相关,在600 nm之前上升较快,而在这之后逐渐平稳。分析白云岩物性与光谱反射率的整体相关特性,可以对其岩石类型进行基础的判别,并从物理与化学形成环境角度对其成岩过程进行分析。

4.1.5 石英砂岩

石英砂岩物性与光谱反射率的相关系数曲线均相对平缓,密度与光谱反射率的相关系数在600 nm以后稳定在-0.6附近,电阻率和弹性波速度与光谱反射率之间的相关系数曲线类似,磁化率与光谱反射率无相关性(图4g)。从相关系数分析可以明确石英砂岩只有密度与光谱反射率存在一定的相关性,其他物性与光谱反射率相关性不明显,说明此岩石成因环境化学特征并不明显。

4.1.6 长石砂岩

长石砂岩物性与光谱反射率的相关系数曲线在700 nm之后具有相似的变化规律,但相关系数取值范围不同,密度、弹性纵波速度、弹性横波速度、磁化率、电阻率与光谱反射率的相关系数分别为: -0.850 6～0.001 1、-0.914 4～0.157 1、-0.733 0～0.603 2、-0.955 3～-0.373 4、-0.609 4～0.433 6(图4h)。从这5条相关系数曲线可以发现,只有电阻率与反射率在450 nm之后为正相关,其他均为负相关。在2 500 nm附近曲线的变化形态极为相似,可以作为变化依据在后续的定性及半定量研究中应用。依据长石砂岩不同波段物性与光谱反射率之间的相关特性差异对岩石的特性进行综合研究,可以对岩石的基础类型进行判别。

4.1.7 长石石英砂岩

从长石石英砂岩物性与光谱反射率的相关曲线(图4i)可以看出,长石石英砂岩物性与光谱反射率的相关性劣势于长石砂岩,密度、弹性波速度、磁化率、电阻率与光谱反射率的相关性较弱,无法有效利用这些较弱的关系对岩石的基础物理性质进行综合分析。

4.2 火成岩物性与光谱反射率的相关性

4.2.1 安山岩

安山岩的密度与光谱反射率的相关系数逐渐减小,在-0.564 1～0.273 3之间变化,出现极小值的位置与弹性波速度的峰值位置相同。弹性纵波速度和弹性横波速度与光谱反射率的相关系数曲线特征相似,弹性纵波速度与光谱反射率的相关性更好。磁化率与光谱反射率的相关系数变化平稳,在-0.732 5～-0.480 5内浮动。电阻率与光谱反射率相关性差,相关系数在0～0.2之间浮动,变化相对稳定(图5a);安山岩的电阻率与光谱反射率相关度很低,无法应用这种相关性进行岩石基础物理性质进行研究。

a. 安山岩;b. 安山质火山岩;c. 含角砾火山岩;d. 浅成侵入岩;e. 深成侵入岩。

4.2.2 安山质火山岩

安山质火山岩物性与光谱反射率均为负相关关系(图5b)。其中:磁化率与光谱反射率的相关性最好,它的相关系数变化很小,为-0.823 6～-0.541 4,峰值点出现在550和1 900 nm;密度、弹性横波速度、弹性纵波速度与光谱反射率的相关系数曲线形态基本一致;电阻率与光谱反射率的相关系数曲线和其他的都不太一致,而且相关性非常差,相关系数为-0.498 1～-0.098 9。火山岩由于受其成岩环境影响,其内含的磁性物质较为丰富,从整体上看磁化率与光谱反射率具有强相关特性,其他物性由于其成岩过程外部环境的差异性变化而存在一定差异,导致岩石物性与光谱反射率具有不同的相关特征。利用这些相关系数的差异可以有效对安山质火山岩进行分析与判别。

4.2.3 含角砾火山岩

含角砾火山岩物性与光谱反射率均为负相关关系,密度、弹性纵波速度和磁化率与光谱反射率的相关性非常好,弹性横波速度与光谱反射率的相关性较差;同时相关系数曲线形态基本一致,但是磁化率与光谱反射率的相关系数绝对值在1 900 nm位置没有显著变小,相关性一直保持很好(图5c)。岩石物性与光谱反射率的相关关系可以揭示含角砾火山岩成岩环境稳定,具有良好的矿物结晶环境,为其判别与分析提供重要依据。

4.2.4 浅成侵入岩(正长斑岩、闪长玢岩)

测量电阻率的浅成侵入岩样本较少,为了保持地质统计学的需要(需要超过5块),在本次相关性分析中不做电阻率与光谱反射率的相关性分析,希望在后续的工作中能够完善这部分相关分析。

浅成侵入岩的弹性横波速度与光谱反射率的相关系数曲线非常有特点,与其他相关系数曲线明显不同(图5d):在350～400 nm之间陡然增加,相关系数变化非常剧烈;在400～600 nm之间,相关系数以二次函数形式减小;之后缓慢变小,逐渐平稳,相关系数绝对值最高达0.913 1。浅成侵入岩的密度、弹性纵波速度和磁化率与光谱反射率的相关系数曲线形态相似:在350～550 nm之间,磁化率与光谱反射率的相关性最好,相关系数绝对值基本接近1,密度比弹性纵波速度的相关性好;在700 nm之后,密度和弹性纵波速度与光谱反射率的相关系数曲线基本重合,磁化率与光谱反射率的相关系数绝对值比密度和弹性纵波速度小一个很小的量级;整体上相关系数分别为-0.886 6～-0.443 9、-0.947 7～-0.449 4、-0.980 1～-0.336 1。可以应用这种强相关特性判别其岩石类型,为其岩石形成环境的判别提供支撑。

4.2.5 深成侵入岩(花岗岩)

深成侵入岩的电阻率与光谱反射率正相关,而密度、弹性波速度和磁化率与光谱反射率基本负相关,只有在400 nm附近有一部分正相关系数,整体曲线都比较平滑,曲线的变化形态基本一致(图5e)。深成侵入岩的密度和磁化率与光谱反射率的相关系数曲线在600 nm之前相似度高,相关系数绝对值均逐渐增大;密度相关系数绝对值在1 200 nm之后逐渐变小,磁化率相关系数逐渐变得平稳,只是在2 200 nm附近相关系数绝对值变小。深成侵入岩的弹性纵波速度和弹性横波速度与光谱反射率的相关系数曲线相似,只在2 200 nm附近有所不同。电阻率与光谱反射率的相关系数基本都是正值,整体为下降趋势,局部出现上升。深层侵入岩其成岩环境稳定,其相关参数具有强相关特性,可以用于其岩石类型判别。

5 结论

1)通过对辽西地质走廊带大量岩石标本进行岩石密度、弹性波速度、磁化率和电阻率与光谱反射率相关性的统计分析,认为利用岩石物性与光谱反射率可以辅助分析岩石的类型及其成岩环境。

2)本区域的岩石物性与光谱反射率的相关性分析可以揭示沉积岩与火成岩的成岩环境具有差异性。整体上外部物理环境会导致岩石密度、波速与光谱反射率的相关性具有较强的内在关联性,而内部化学环境变化导致岩石磁化率、电阻率与光谱反射率的相关性较强,物理环境与沉积岩的成岩环境有关,化学环境与火成岩的成岩环境有关,利用岩石物性与光谱反射率相关系数的差异性可以间接为沉积岩和火成岩的岩石成因以及其成岩环境差异提供新的研究思路。

本文通过各类岩石物性的相关性研究,为岩石类型和岩石成因研究提供支撑。同时,本文为探索性研究,以岩石类型为基础,通过基础物理属性推断各类岩石的形成特点。岩石的基础物理属性研究仍为探索性课题,为后续研究提供研究思路和借鉴。