中地壳的水和水岩相互作用实验及其地球物理涵义

本文重点报道了高温高压下流体与流体-岩石相互作用实验结果,提供了中地壳条件下流体性质和水岩反应速率数据.这些数据有助于理解中地壳的一些地球物理现象.作者进行了25℃~435℃和22~39 MPa条件下水-岩相互作用反应动力学实验.同时,研究水在近临界区至超临界区的性质.一般地说,中地壳大致位于10(15)至25 km的深度范围.各地的地壳厚度不同,但是中地壳高导-低速层的深度范围十分相似.中地壳的顶界温度处于300℃,底界大致为450℃范围,压力高达200 MPa以上.流体-岩石相互作用实验表明:硅酸盐矿物和岩石的硅最大溶解速率出现在300℃~400℃.此时,硅酸盐矿物格架解体.通常,地壳里普遍存在水、流体.地壳构造活动导致断裂空隙、减压、流体流动.这时,有可能导致中地壳处于300℃~450℃流体的压力减低,由超临界区进入临界态、亚临界态.这会引发强烈流动的水与岩石相互作用.溶解反应导致岩层的硅淋失,硅的强烈淋失又会导致硅酸盐矿物格架解体,岩石崩塌.同时,进一步促进流体的流动.实验表明300℃~400℃下的强烈水岩相互作用促进了岩石破坏,并有可能影响岩层的地球物理性质,如高导层出现.另外,实验和理论研究表明处于300℃~400℃流体具有高电导率性质.这些水岩相互作用会使中地壳出现高导-低速层.     

超临界地质流体研究进展简介

<正>在地球深部过程前沿研究中,超临界地质流体的作用受到越来越多的关注(倪怀玮, 2020).超临界地质流体(以下简称超临界流体)形成于地球深部高温高压条件下,是岩石组分(硅酸盐±碳酸盐±硫酸盐)与水之间达到完全混溶而形成的一种特殊性质流体.超临界流体的成分变化可以很大(Kessel等, 2005; Zheng等,2011),但是以介于含水熔体与富水溶液之间的中间成分流体最具特征性(Ni等, 2017).在伟晶岩矿床研究中,     

西秦岭北缘深浅部流体通道特征

根据全球流体通道网研究的最新进展, 应用深部地球物理探测资料和岩石的高温高压实验结果, 对西秦岭北缘深大断裂强震活动区岩石圈内流体通道的形成机制和主要特征进行了研究。结果认为, 在选定的研究区内, 存在一条特征比较明显的贯穿整个岩石圈的流体通道,在它的形成过程中, 二种因素起了关键性的作用, 即软流圈中流体的底辟作用和岩石圈中构造块体间的相互错动。岩石圈流体通道中的流体在热的传输过程中起了重要作用, 导致其中的岩石介质在相对较高的温度状态下发生了一系列复杂的地球化学反应和物质的重新分布过程,主要有: ① 中下地壳的含水岩石发生了脱水反应; ② 脱水反应诱发了岩石的局部熔融; ③ 局部熔融体系内部不同密度的岩石介质发生了重力分异作用, 低密度的流体组分向局部熔融体系的上部迁移, 高密度的组分向局部熔融体系的下部迁移, 经过长期的演化, 中地壳的上部形成低速高导层, 下地壳的底部则形成高速层。     

水与地幔的部分熔融

水对于地幔的部分熔融发挥了关键作用.地幔岩浆作用主要发生在板块边界(俯冲带和洋中脊)和若干板内热异常区域.在大洋俯冲带,俯冲板片释出的水可以诱发上覆地幔楔甚至板片自身发生熔融,导致弧岩浆作用,也有可能形成超临界流体.板片熔融和产生超临界流体的物理化学条件仍存在争议.在洋中脊和板内热异常区域,水和CO_2使上涌地幔发生熔融的起始深度增加,熔融比例增大.在地球深部层圈边界可能发生低程度的地幔熔融,如岩石圈和软流圈边界、上地幔和过渡带边界、过渡带和下地幔边界等,其成因一般认为与边界两侧矿物储水能力的差异有关.水可以促进地幔岩石熔融的根本原因在于水是一种不相容组分,强烈倾向于富集在硅酸盐熔体相(矿物-熔体的水分配系数远小于1),从而令其吉布斯自由能降低.前人对水在橄榄石、辉石和石榴石等地幔矿物与熔体之间的分配行为已经研究得比较充分,但水对硅酸盐熔体密度和迁移性质的影响还需要更进一步的高温高压实验和计算制约.     

地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应研究综述

断层活动导致断裂带裂隙广泛发育,成为地壳中流体运移与聚集的有利通道和场所.流体在地震过程中具有重要作用.流体与地震破裂带内的岩石相互作用导致其具有与其他完整岩石不同的性质,包括矿物-化学组成、粒度分布及传输性质(渗透率、孔隙度)等.这些特性可以视为流体与地震断层带岩石相互作用的响应.一方面,较高的孔隙流体压力导致断层的有效正应力降低.另一方面,流体会与断层岩发生一系列水-岩反应导致矿物蚀变、分解,生成大量摩擦系数较低的粘土矿物,同时一些不稳定元素可能会随流体发生迁移,导致大量物质流失.在地震周期过程中,伴随着流体运移,断层带的物理性质(渗透性、流体压力等)也随之发生变化.同震快速摩擦生热会导致流体产生热压作用,促进同震滑动.另外,同震破裂导致断层带的渗透性快速上升,较高的流体压力会很快释放.在间震期过程中流体会使破裂趋向于缓慢变形,矿物溶解-沉淀、重结晶及压溶等作用胶结并愈合裂隙,断层强度恢复的同时断层带渗透性逐渐降低,孔隙压力又逐渐积累.研究流体的这些物理化学行为对理解地震成核、同震滑动及震后断层愈合等过程有重要意义.本文介绍了有关流体对断层带物理化学性质的改造及流体的动力学意义等方面的研究进展,总结了流体在地震周期过程中所产生的一系列岩石物理化学效应及其对地震过程的影响.     

流体穿过固体岩石圈上升及其与地震的关系

地球不断地从极深处排出气体和液体——来自地幔和循环变质生成物中的岩浆挥发物。其中有些流体在火山活动过程中通过液态岩石上升,而另一些则利用裂隙和断层作为管道穿过固体岩石圈。这后一过程对地震可能有重要影响,因为处于接近岩石静压力的流体要激活深断裂,要不然这些深断裂本来是保持闭锁状态的。流体能受浮力作用穿过固体岩石圈上升,仅在足够集中以形成占有互相结合的断裂孔隙的大比例尺域时才有可能。一个增长着的流体域,只有当它达到了流体静压力不稳定性所需要的临界垂直尺度时才能变得这样活动。这个取决于岩石极限压缩屈服强度的尺度,可能长达几千米。任何上升的流体柱从丰富的深部源穿过固体岩石圈的裂隙时必然要被流体压力的间断面分割成一个垂直的分散的域序列。这是需要的,因为一个从任意深度的源向地表延伸的连续流体静压力剖面是有限的岩石强度所不允许的。一个垂直堆积的域序列允许内部的流体压力剖面以一种渐进的方式逼近外部岩石应力剖面。在最上层流体静力学域底部以下的压力间断面,可能是一些叫做异常地压发生的原因。一个从深部源向上渗透的上升液体流穿过一个一个的由许多域组成的柱时必然要在两个相继的域之间的过渡处迂到一系列突然的压力降。如果超临界气体起溶剂的作用,则溶质就会在这一压力间断面从溶液里脱出,形成矿物质及其它物质的局部集中。在极大的深度,高温和高压通常会阻止脆性破裂的发生。全部过剩应力由塑性流动来释放。高压流体能够支撑覆盖层并极大地减少了内摩擦,由此裂隙产生和活化了。因而不管怎样,岩层因上升流体域的侵入而弱化了。这一强度的减小,可能引起早先受应力作用的岩石弱化,从而产生水力剪切破裂。这样,地震就可能被深源流体的浮力迁移所触发。导至这样一次地震破裂的实际时间选择,可相应地由一个流体域的快速膨胀来决定,很可能不由慢得多的区域构造应变速率的显著增加决定。许多地震前兆现象可能是孔隙流体压力增加的次生征兆,某些同震现象也可能是由于当断层破裂到地面时高压流体排出而引起,这种流体域迁移的不稳定性还可能控制或引起泥火山、岩浆火山和金伯利矿筒的喷发。     

太行山阜平片麻杂岩的流体与岩石平衡体系研究

依据流体与岩石的平衡热力学和流体包裹体测温,确定了太行山太古宙阜平片麻杂岩的流体成分和变质作用中流体/岩石平衡体系特征,反映了与阜平片麻杂岩中麻粒岩相矿物组合平衡的变质流体中水的摩尔分数小于0.05,流体/岩石相互作用主要受富二氧化碳流体的渗透作用控制.     

断层带流体对断层强度和强震孕育的影响

大量研究表明,流体在断层弱化中起着非常重要的作用.在地壳浅部脆性域,自由水通过流体孔隙压力减小断层有效正压力,从而降低断层摩擦强度;在地壳深部,矿物中的微量结构水弱化岩石流变强度.另外,流体-岩石相互作用等化学过程,如长石水解反应,对断层强度的影响也非常显著.断层深部流体通过物理作用与化学作用影响着岩石的变形机制,从而影响断层力学性质与地震孕育和发生.断层内部流体孔隙压力周期性变化是断层带脆-塑性转化、裂缝张开与愈合等的直接体现,这种变化控制着断层强度与强震周期性发生现象.     

急剧冷却作用下高温岩石细观损伤与增渗机制研究

干热岩储层改造与开发中不可避免地存在低温流体对高温岩石的冷冲击.首先分析了不同岩样升温过程的渗透率演化,随后开展600℃内急剧冷却前后渗透率、细观结构损伤和岩石力学性能测试试验,最后基于THM-D耦合开展了急剧冷却作用下高温岩石损伤数值模拟,探讨急剧冷却作用下高温岩石的细观损伤与增渗机制.结果表明：急剧冷却处理温度升高,岩石损伤加剧、渗透能力增加、力学性能降低;岩石矿物组成非均质性越强、矿物颗粒几何形状越不规则、杨氏模量越大、抗拉抗压强度越小均有利于岩石发生热致裂;高温岩石受冷冲击,低温诱导热应力作用于岩石产生拉伸破坏,低温流体流入致裂裂隙形成新的温度梯度,随着岩石换热低温诱导热应力先增加后降低.     

2008年MS6.1攀枝花地震震源区多参数结构成像及发震机制研究

通过联合反演123,053个P、Pn、Pg震相和100,176个S、Sn、Sg震相数据,获得了2008年M_S6.1攀枝花地震震源及其周边区域的高分辨率三维纵、横波速度(V_P,V_S)和泊松比(σ)图像.结合研究区域地壳应力数据综合分析发现,攀枝花地震发生在高-低纵、横波速度转换带,并且在震源下方存在一显著的低V_S和高σ异常体延伸至下地壳.本研究认为,该构造特征主要是由于西侧坚硬的川滇菱形块体对来自深部流体或熔融物质具有一定的阻挡作用,绝大部分流体或熔融物质通过断裂带向东南侧的块体内部迁移,造成断裂带两侧块体的岩石物理属性差异较大所致.研究结果表明,攀枝花地震发生在剪切应力较强的元谋—绿汁江断裂带上,震源下方的流体或部分熔融物质被挤入至震源的断层或裂隙中,增加了震源区岩石的流体应力,降低了横波速度(V_S)、增加了岩石的泊松比(σ).我们推测,流体侵入在攀枝花地震形成上扮演了重要角色,来自于青藏高原下地壳的大量的流体或部分熔融物质被挤入震源区岩体的断层或裂缝中,这一过程增加了震源区的孔隙流体压力、减弱岩石的机械强度,同时岩石的静摩擦力增加,导致容易引起岩体脆性形变,从而诱发地震.     

基于数字岩心动态应力应变模拟的非均匀孔隙介质波致流固相对运动刻画

地震波传播激发的不同尺度的流固相对运动(宏观、中观和微观)是许多沉积岩地层中地震波频散和衰减的主要原因,然而野外观测和试验测量都难以对非均匀多孔介质孔隙压力弛豫物理过程进行精细刻画.通过数字岩石物理技术,本文建立了三个典型的数字岩心分别用于表征孔隙结构、岩石骨架和斑状饱和流体引起的非均质性,利用动态应力应变模拟技术计算数字岩心的位移和孔隙流体增量图像.通过分析和比较三个数字岩心的位移和孔隙压力增量图像,细致刻画了发生于非均匀含流体多孔介质内的宏观、中观和微观尺度的流固相对运动:1)宏观尺度的波致孔隙流体流动导致波长尺度上数字岩心不同区域的孔隙压力和位移差异;2)中观尺度的流体流动发生在软层与硬层之间、气层与液层之间;3)微观尺度的流体流动发生在孔隙内部或相邻孔隙之间.数值模拟试验也证明基于数字岩心的动态应力应变模拟技术可以从微观尺度上更好的理解波致孔隙流体流动发生的物理机理,从而为建立岩石骨架、孔隙流体、孔隙结构非均质性和弹性波频散-衰减特征的映射关系奠定基础.     

地震岩石物理在渤海PL油田流体检测中的应用

地震岩石物理通过研究岩石岩性特征、流体特征和岩石弹性参数之间的关系,快速解释储层流体变化所引起的地震响应变化,是利用地震资料进行流体检测的物理基础.渤海PL油田位于渤海东部海域,油田区新近系测井资料受地层疏松的影响,横波质量不准确,流体检测基础资料难以保证.并且根据钻井揭示,油田区储层含油或含水在地震资料上都可表现为强能量反射特征,由于对储层地震响应机理的不明确,缺乏有针对性的流体检测方法,导致以往的流体检测结果不理想.本次研究利用岩石物理建模技术,对目标曲线进行优化和校正.在岩石物理建模基础上,通过对典型砂体进行流体替换和孔隙度替换,从岩石骨架和流体两方面开展地震响应机理研究.并通过构建区域岩石物理量版,划分该区目标储层的分布范围,实现了对目标储层AVO响应特征的定量研究.研究成果为该油田流体检测方法的改进和有效应用提供了重要指导,也为渤海相近油田开展流体检测研究提供了很好的借鉴.     

双相各向异性研究、问题与应用前景

地球内部流体的存在和岩石各向异性是地下介质的两大表征,考虑地下流体和介质各向异性问题的双相各向异性理论是当今地震学和地球物理学理论与应用研究的前沿和难题之一。孔隙流体的存在、固体和流体之间的相互作用会弱化或硬化岩石的力学属性,上起声波或弹性声波速度的频散的振幅的衰减,并产生第二类压缩波。裂缝或裂隙的定向分布、岩层的旋性沉积、应力场的定向排列,都会引起传播速度的各向异性、横波发生分裂等重要现象,这些     

岩石物理弹性参数规律研究

根据辽东湾凹陷某区在地层条件和不同流体相态(气饱和、水饱和等)下岩石纵波速度、横波速度及密度等岩心测试数据,以及岩石矿物成分、孔隙度等常规岩心分析数据,统计分析了岩石弹性参数变化规律.采用有效流体模型、斑块饱和模型进行了纵、横波速度理论计算,并和实验测量结果比较,认为高孔、高渗岩石可以看作有效流体模型,低孔、低渗岩石更接近斑块饱和模型.这些规律和认识对于指导储层预测和油气检测及地震振幅综合解释有重要的意义.     

深部流体与地震成因的研究

论述了地震的形成、发生机制与深部流体在地震形成过程中的作用。地震的孕育过程是十分复杂的,地震的成因机制可能是多种多样的。对地震成因和地震前兆形成机理的深入认识对实现准确预测地震和减轻地震灾害有重要意义。地球内部是个含水体系,流体和壳幔内不连续层与地震的孕育和发生有着密切关系。深部流体可以降低岩石的强度、熔点,可以传输热能,改变矿物相变的温压条件,促进地震的孕育和发生。当地质体内流体的压力大于岩石抗压强度时,可以直接导致地震发生。     

礁滩储层内部孔隙结构模型模拟与孔隙度预测

地下岩石是由岩石基质和孔隙流体组成的双相介质,其有效弹性参数受岩石基质、孔隙度、孔隙结构及孔隙流体的影响,因此为了得到孔隙度与岩石有效弹性参数之间的关系,必须消除其他因素对孔隙度的影响.本文首先引进等效体的概念和Eshelby椭球包体裂缝理论,然后在合理的假设前提下,运用Gassman流体替换方程,推导并建立了生物礁滩...     

基于叠前反演的流体敏感属性实验研究及应用

提取叠前地震振幅信息的叠前反演技术已成为储层预测的重要手段,其能获得各种岩石弹性参数,丰富储层预测方法.因目标储层的差异性,优选并建立有利的流体敏感参数对储层流体检测尤为重要.本文基于岩石物理实验, 测量并分析了岩石弹性参数随流体饱和度的变化特征, 进一步根据岩石物理理论建立组合流体敏感参数, 达到对油气检测的最佳敏感效果.定义了流体敏感量,定量分析岩石弹性参数的流体敏感性.最后本文在X区块进行了叠前地震反演的应用, 结果表明通过岩石物理实验分析并建立获得的流体敏感参数能明显的提高储层的识别能力.     

Petrophysical evaluation and its application to AVO based on conventional and CMR-MDT logs

常规测井为 AVO 分析提供了基础的资料, 成为联系岩石物理与地震资料的桥梁。然而如果储层存在有复杂的流体系统, 如地层被严重地层流体侵入、电阻率响应低及盐水矿化度复杂等的现象, 则常规测井无法提供高质量的测井资料, 导致得出错误的弹性计算结果, 使 AVO 结果与地震资料不吻合。中国渤海湾地区第三系裂缝性储层复杂, 我们利用常规测井和核磁共振测井与模块地层动态测试相结合的组合仪完成了地层评价和储层描述。研究结果表明岩石物理学家利用上述方法技术可以获得诸如空隙度、渗透率、含水饱和度、束缚流体以及空隙压力等重要的储层参数并进一步综合应用这些结果和以实验室测量数据为基础的岩性分析结果进行在地震域岩石物理研究和 AVO 分析。     

砂泥岩干岩石模量估计

流体替换是了解和预测地震波速度和波阻抗如何依赖孔隙流体变化的有效工具,参数多、不确定性大是流体替代的特点,其中,干岩石模量是链接流体和饱和岩石的关键,也是Gassmann方程的基础,因此干岩石模量值的确定是流体替代的难点.前人对干岩石模量也进行了大量的研究,提出了许多经典模型:疏松砂岩模型、Kuster-Toksoz模型、自相容模型(selfconsistent模型)、微分有效介质模型(DEM模型)等,但这些模型都具有一定的局限性,本文通过对Gassmann方程图形分析方法(Mavko and Mukerji,1995)的研究,提出了一种计算干岩石模量的新方法.通过实际的岩样数据分析这几种算法的应用效果,研究结果认为求取干岩石模量时,本文提出的新方法具有很好的应用效果.     

骨架、流体信息反演统计方法应用

地震数据资料、岩石物理学和数学上统计方法的结合,有助于定量解析地震数据资料,减少岩石骨架、流体信息预测的风险性.本文基于典型砂岩样品(韩德华的P组砂岩样品)数据,把临界孔隙流体介质模型和数学统计方法相结合,从可测的岩石整体密度速度信息直接反演岩石骨架和流体的密度、速度信息,所得反演信息符合实际情况,证明了方法的可行性....