Constraints on the state of in situ effective stress and the mechanical behavior of ODP Leg 186 claystones in the Japan Trench forearc

Abstract The Japan Trench forearc offshore Honshu Island in northeast Japan, where the 130‐m.y.‐old Pacific oceanic plate is presently subducted, was drilled during the Ocean Drilling Program Leg 186. Results from mechanical and sedimentological studies of claystones recovered from Sites 1150 and 1151 in the overlying erosional forearc wedge are reported in the present study. Although many physical properties are similar in the seismic (Site 1150) and aseismic portion (Site 1151) of the shallow forearc, Site 1150 displayed a higher abundance of open fractures, two prominent fault zones and enigmatic pore fluid signatures in the claystones. The abundance of weak mineral phases, together with high smectite contents (from X‐ray diffraction), control the low friction coefficients of 0.33–0.39 of the claystones in ring‐shear experiments. Results from triaxial testing proposed overall low magnitudes of in situ effective vertical stress, with somewhat lower values at Site 1150 than at Site 1151. Similarly, samples from Site 1150 displayed slightly higher pore fluid pressures than those at Site 1151. The high sediment porosities, which are in part also a result of intact diatom tests (from scanning electron microscope), together with the anomalous fluid signatures and elevated pore fluid pressures, could very likely result from upward migration and influx of deep‐seated waters. Dewatering reactions at depth result in enhanced pore fluid pressure transients along out‐of‐sequence thrusts and consequently lower effective stress. At depths greater than that of Leg 186 drilling, elevated pressure–temperature conditions trigger mineral transformation and cementation, which result in increasing friction, unstable sliding and seismic rupture. Such earthquakes could have repeatedly disaggregated the consolidated claystone fabrics at the seismic site, and could be responsible for differences in yield strength and cementation when compared to the aseismic Site 1151.     

扬子板块北缘镇巴地区吴家坪组富Li-REE-Nb-V黏土岩地球化学特征及其地质找矿意义

沉积型锂矿主要产于黏土岩中,黏土岩的主微量元素可有效识别沉积物源及沉积环境。本文首次报道扬子板块北缘镇巴地区二叠系吴家坪组黏土岩锂、稀土、铌、钒等元素超异常富集的特征,基于详细的地球化学研究和区域地质资料,分析吴家坪组黏土岩的形成环境及沉积物源,并探讨扬子板块北缘锂、稀土找矿方向。研究表明,镇巴地区吴家坪组黏土岩产于晚二叠世,发育于吴家坪组与阳新组的平行不整合界面之上,代表了古风化壳沉积,黏土岩的Li2O最高品位0.39%,ΣREO（稀土氧化物总量）最高品位0.142%,V2O5最高品位0.26%,Nb2O5最高品位0.022%。主、微量元素地球化学特征指示黏土岩形成于咸化-半咸化海水相,氧化-还原过渡、碱性的沉积环境,对应于黏土岩化阶段。综合矿物学、地球化学、区域地质资料,认为研究区吴家坪组黏土岩来源于峨眉山大火成岩省的玄武岩,锂元素的富集与火山岩受流体交代-淋滤有关。扬子板块北缘广泛发育吴家坪组黏土岩,规模较大,锂、稀土、铌、钒综合成矿效果较好,找矿潜力巨大,应重点关注与沉积间断面有关的关键金属矿产,助力新一轮找矿突破。     

陕南镇巴地区中-晚三叠世界线富锂黏土岩的发现及找矿意义

首次报道了扬子板块北缘镇巴地区中-晚三叠世界线黏土岩锂的超常富集,黏土岩产于关岭组(T₂g)/须家河组(T₃x)平行不整合界面,为古风化壳沉积物,Li₂O品位0.08%～0.11%,最高达0.22%,超过了该类型矿产的边界品位(0.06%),界线黏土岩的岩石学特征、矿物组成及岩石成因亟待查明。本文通过XRD分析、TIMA分析以及详细的地球化学研究,查明了界线黏土岩的矿物组成,探讨了黏土岩形成的沉积环境及物质来源,提出了不整合面黏土岩类关键金属矿产的综合找矿方向。研究表明,镇巴地区T₂/T₃界线黏土岩主要由石英、伊利石、高岭石组成,并含有极少量绿泥石、蒙脱石和铝绿泥石。主量元素(SiO₂、Al₂O₃、^TFe₂O₃、TiO₂)特征表明界线黏土岩属于铝土质泥岩,黏土岩CIA值(化学蚀变指数)为85～93,ICV值(成分变异指数)为0...     

西昌昔格达组黏土岩动力特性试验研究

在大量动三轴试验的基础上,研究了不同固结条件(σ3c=100,200,400 kPa,kc=1.0,1.5,2.0)下西昌昔格达组黏土岩的动应力-动应变关系、动弹性模量、阻尼比及动强度特性。研究结果表明:西昌昔格达组黏土岩在一定条件下的动应力-动应变关系符合幂函数模型。动应力随着固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大。在相同围压下,达到相同动应变时,偏压固结状态比均压状态所需要的动应力大。当其他条件相同时,动弹性模量随固结压力或固结主压力比增大而增大,随着动应变的增加而减小并趋于稳定。最大动弹性模量Ed0与σ3c/Pa、kc均有良好的幂函数关系,且对不同固结应力状态条件可以归一。阻尼比随动应变增大而增大,但增大幅度随动应变增大而迅速减小,阻尼比随围压或固结主压力比增大而减小,但它们对阻尼比影响较小。不同固结应力状态下(λ/λmax)与(1-Ed/Ed0)有良好的幂函数关系。西昌昔格达组饱和黏土岩动剪应力τd随固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大,随振动次数增加而减小。τd/σm均随固结围压σ3c增大而减小,随固结压力比kc增大而增大。动剪应力τd与平均压力σm、固结主压力比kc有较好的线性关系。     

轮南地区石炭系砂泥岩段S3层储层特征与评价

从沉积环境入手,依据岩芯、铸体薄片、测井解释、压汞试验、物性分析等资料,并结合区域地质背景对塔里木盆地北部轮南地区石炭统卡拉沙依组砂泥岩段S3砂组进行了研究。结果表明:该区砂泥岩段S3砂组优质储层的岩性为岩屑砂岩、含砾不等粒砂岩、粉砂岩等;储层孔隙类型以粒间孔、粒间溶孔为主,发育少量粒缘缝;碳酸盐岩胶结物在轮南地区砂泥岩段S3砂组储层中较为普遍;钙质体积分数较高。钙质主要以方解石、铁方解石、铁白云石胶结物的形式存在;优质储层的分布受控于沉积环境,集中发育在砂泥岩段S3砂组上部的三角洲前缘相的分流河道与前缘席状砂和砂泥岩段S3砂组下部潮坪相的潮道和砂坪微相里,所以这些区域是油气勘探的重点目标区。     

热−水−力耦合条件下黏土岩蠕变特性研究

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,开展了一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验。得出以下结论：温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶段的时间,但是降温过程中试样主要以冷缩变形为主,并未见明显的蠕变变形;围压的降低以及偏应力的增加会提高黏土岩的蠕变速率,并且这种影响会随温度的升高明显加剧。基于试验结果,在Perzyna过应力理论的基础上引入蠕变硬化、蠕变损伤以及热损伤,建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型。通过ABAQUS软件及其子程序对该模型进行数值实现,模拟结果与试验结果的对比初步表明该模型可以很好地描述热-水-力耦合条件下黏土岩的蠕变特性。     

川南兴文地区上二叠统龙潭组黏土岩锂的富集特征及赋存状态

四川南部位于二叠纪峨眉山大火山岩省中—外带,广泛分布与火成岩风化- 沉积有关的上二叠统龙潭组黏土岩,具有形成锂等关键金属矿产资源的地质背景和成矿条件。本文对川南兴文地区上二叠统龙潭组下部黏土岩进行了较为系统的地质调查,对研究区以及钻孔岩芯样品进行了化学分析,以确定黏土岩中锂等元素的分布特征及富集规律。在此基础上,利用粉晶X- 射线衍射(XRD)分析了富锂黏土岩的矿物组成,采用聚焦离子束飞行时间二次离子质谱仪(FIB- TOF- SIMS)分析了富锂黏土岩微米尺度上的元素分布特征。结果表明,龙潭组下部黏土岩中富集Li以及Ga、Nb等元素,是一个多种关键金属的富集层,具有良好的成矿潜力和找矿前景。本区黏土岩来源于峨眉山大火山岩省火山岩的风化产物,富锂的矿层主要为含黄铁矿高岭石黏土岩,其沉积成岩环境为海陆过渡地区的潟湖还原咸水环境,Li含量与化学风化强度(CIA指数)密切相关,具有风化- 沉积型矿床的特征。富锂黏土岩中锂除少量赋存于锂云母之中外,主要是被吸附于黏土岩的蒙脱石相中,部分进入蒙脱石矿物结构,还有一部分赋存于伊利石中。Li除了来自火山岩的风化释放以外,部分还可能来自滨海浅层地下卤水的直接补给,从而形成含锂云母的高品位的富锂黏土岩。     

Gas flow in anisotropic claystone: modelling triaxial experiments

Selected gas pulse tests on initially saturated claystone samples under isotropic confinement pressure are simulated using a 3D thermo‐hydro‐mechanical code. The constitutive model considers the hydro‐mechanical anisotropy of argillaceous rocks. A cross‐anisotropic linear elastic law is adopted for the mechanical behaviour. Elements for a proper modelling of gas flow along preferential paths include an embedded fracture permeability model. Rock permeability and its retention curve depend on strains through a fracture aperture. The hydraulic and mechanical behaviours have a common anisotropic structure. Small‐scale heterogeneity is considered to enhance the initiation of flow through preferential paths, following the direction of the bedding planes. The numerical simulations were performed considering two different bedding orientations, parallel and normal to the imposed flow in the test. Simulations are in agreement with recorded upstream and downstream pressures in the tests. The evolution of fluid pressures, degree of saturation, element permeability and stress paths are presented for each case analysed. This information provides a good insight into the mechanisms of gas transport. Different flow patterns are obtained depending on bedding orientation, and the results provide an explanation for the results obtained in the tests. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

川南大村区块五峰—龙马溪组页岩气成藏条件及勘探前景

近年来,深海大洋钻探已证实在洋陆俯冲带的浅部,板块边界断裂高度集中在特征性岩层中,然而对于这种断裂高度集中化现象是否发生在俯冲带深部仍然缺乏充分的认识,因此对日本中部侏罗纪燧石-碎屑岩杂岩体中一个露头宽度约50 m的断裂带进行了调查。该断裂带沿古俯冲带深部的板块边界延伸而出的逆冲断层发育,断裂带中的剪切变形集中在数层黑色有机质黏土岩中,表现为沿交织鳞片状叶理的分散剪切,剪切方向分为左行走滑和逆冲走滑,可能形成于俯冲带中的滑动分异或左行斜俯冲过程。体现滑动集中化的拆离面切割了黑色有机质黏土岩层,拆离面表现为左行滑动。利用碳物质拉曼光谱测量了拆离面上及黑色有机质黏土岩层中的碳物质。结果表明,相对于黑色有机质黏土岩,拆离面中的碳物质具有更高的成熟度,表明在左行滑动过程中产生了快速的摩擦升温。野外观测和实验结果表明,这一古断裂带记录的俯冲带深部板块边界断裂高度集中在黑色有机质黏土岩层中,发育于其中的拆离面的左行剪切可能产生于深部地震性滑动。     

广西东攀剖面粘土岩的火山岩特征及 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

广西扶绥县柳桥镇东攀地区出露1套上二叠统大隆组和下三叠统罗楼组,大隆组合Ophiceras sp.,罗楼组合Ophicerastingi Tien生物化石,二者为整合的连续沉积地层.生物特征显示,在第12-3层和第13-1A层之间为二叠系—三叠系的界线,界面附近存在较厚的粘土岩层.从结构上看,粘土岩具有较明显的火山岩碎屑结构和沉凝灰构造,岩石地球化学研究也显示其具有钙碱性中酸性火山岩的特征,沉积环境为大陆边缘环境.在粘土岩中选取自形程度较高的火山成因锆石进行激光剥蚀法U-Th-Pb同位素测年研究,岩石中锆石的结晶年龄为254.7Ma±3.7Ma,表明本区二叠纪—三叠纪之交存在着火山活动.