李 陽,韓立國,孟兆海,徐學純,李鳳婷,董思源,周 帥

1.吉林大學地球探測科學與技術學院,長春 130026

2.吉林大學地球科學學院,長春 130061

3.天津航海儀器研究所,天津 300131

0 引言

巖石物理性質研究在地質學、礦物采集、巖心、地球物理以及工程等多個科學領域中得到了廣泛應用[1]。巖石理物性質(密度、彈性波速度、磁化率、電阻率和光譜等,簡稱物性)和巖石地球化學性質是巖石最重要的物理和化學屬性,巖石地球化學已成為巖石成因研究中的一種重要手段[1],與之相比,巖石物性用于巖石成因的研究卻很少。巖石物性作為巖石最基本的物理參數,在地球科學問題解決中具有非常深遠的意義,對地質事件的發生和礦產資源的分布起到一定的影響和控制作用[2]。巖石物性參數的差異性變化對地質構造特征研究具有重要作用,物性之間的內在聯系分析和不同地質環境下的巖石特征研究,對地質構造單元和各級斷裂單元的劃分具有很好的借鑒意義。區域性的巖石物性參數測量與研究對深部地球物理資料解釋,以及地球深部動力學演化規律揭示都具有很重要的參考價值[3]。

巖石物性主要受巖石內部結構屬性以及外部物理因素的影響。其中,巖石密度是巖石物理結構變化的主要特性,與巖石的形成環境以及后期的沉積環境有很大關系,巖石密度研究對巖石宏觀物理環境的變化探討具有極其重要的意義[4]。影響巖石彈性波速度的內在因素主要有巖石物質組成、單晶體性質、礦物分布狀態、孔隙度及其排列的方式和孔隙流體等,外在因素主要為溫度和壓力,其中壓力可分為圍壓、差應力和孔隙壓[2, 5]。根據結晶巖的礦物成分、成因類型與高壓室溫下波速絕對值的關系,以及高溫高壓下巖石波速與物性變化的關系探討巖石的分類,進而可以通過這些關系來研究構造演化問題[6]。巖石磁化率是表征巖石受磁化難易程度的物理量,它與巖石中化學元素的關系較為密切,而且受外部地球磁場影響較大,反映巖石形成時外部地球磁場的變化,記錄后期地球磁場變化的特征,是地球磁學研究的基礎[7]。巖石磁化率在巖石成因中的研究始于20世紀上半葉[8],早期主要用于研究沉積物與沉積巖[9-12]。巖石磁化率主要受巖石中磁性礦物種類、粒度、化學成分、含量、氧化物狀態以及所處溫度、壓力等條件的影響。利用巖石磁化率與礦物磁化率的關系可探索地質體與巖石單元磁化率的關系[13]。磁化率在花崗巖成因分類及巖漿演化研究中具有重要作用[14-16]。巖石電阻率主要受巖石礦物及所含水的導電率、含水量、巖石結構構造以及地質環境變化等因素的影響。巖石電阻率的研究是地下深部電性結構研究的重要內容,可以幫助人們研究某些地區的構造演化問題[17]。巖石的光譜特性與其內在的物理化學特性緊密相關,主要受巖石的物質成分和結構差異的影響,對巖石外部的物理環境變化非常敏感,是研究巖石特征的重要參數。

隨著遙感技術在地學領域的應用取得的巨大進步,人們越來越關注遙感方法的應用[18-19]。反射率作為地面巖石的本質屬性之一,能夠在不同波段反映出巖石的不同光譜特征,這些光譜信息與巖石特征相結合可以有效區分不同的巖石類型。巖石的反射光波譜與礦物成分、礦物含量、風化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度和色澤都有關系[20-22]。巖石的結構構造以及所處地質環境的變化將引起巖石這些物性參數發生不同的變化,宏觀上表現為巖石物性與光譜特征之間的相關關系,可以利用這種相關特征探索性地研究巖性分類問題。

巖石物性參數是研究地下結構、構造演化等關鍵地球科學問題的重要因素,傳統的巖石物性研究方法都是對少量巖石標本樣品進行實驗室物性分析,以分析結果作為地球物理數據解釋的基礎。隨著高光譜遙感技術的飛速發展,通過儀器可以快速、有效、準確地測量出巖石光譜,同時其他巖石物性測量的手段也逐漸完善,使巖石光譜與巖石其他物性實時研究、并形成科學體系成為可能。在地球科學研究中,這是一個新興的研究方向,具有非常深遠的意義。目前,已經有很多學者開始研究巖石的地球化學組成與光譜之間的關系[18-23],但關于這方面的研究非常有限[23-25],而以研究巖石光譜屬性與巖石其他物性的相關特征來解決巖石構造成因的方法就更少。本文選取地質情況較為復雜且可以代表一些主要地質現象的地區——遼西地質走廊帶進行巖石物性研究,以實驗室巖石物性測定為基礎,研究實驗室條件下巖石物性參數相關特征與巖石特性之間的內在聯系,分析不同巖石類型的密度、彈性波速度、磁化率以及電阻率與遙感光譜反射率之間的相關性,嘗試通過這種內在關系定性、半定量地解決該區域的地質問題,并推廣到其他實際地球科學問題的解決中。

1 研究區概述

巖石基礎性研究的選址非常重要,研究區域的巖石類型要豐富,巖性特征具有一定的代表性。此次選取遼西地質走廊帶作為研究區域。遼西地質走廊帶位于遼寧省西部,其地層區劃屬于華北地層區、燕遼地層分區、遼西小區,地層為典型的華北型序列,出露地層較為完整、地層發育較為齊全。太古宇結晶基底之上依次發育中--新元古界(長城系、薊縣系、青白口系)、古生界(寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系)、中生界(三疊系、侏羅系、白堊系)和新生界(第四系更新統和全新統)(圖1)。研究區內發育多期次的侵入巖和2個期次的旋回火山巖系。沉積巖和火成巖發育良好,唯一缺陷是缺少變質巖樣本,適合做沉積巖和火成巖巖石物性與光譜反射率之間的相關性研究,是研究巖石物性與其化學組成之間關系的一個良好的天然實驗基地。

據文獻[26]修編。

2 巖石物性與光譜反射率分析方法

在地質統計學的理念中,相關性分析占有非常重要的地位,是研究隨機變量之間相關關系的一種重要統計方法,一般被用來研究對象之間是否存在某種依存關系,并對具有依存關系的隨機量進行相關方向與相關程度的探討。相關是表征兩個隨機變量統計關系強弱的指標,相關性分析廣泛應用于醫學、社會學、心理學、通信、網絡、財務、經濟和大氣等不同領域。為了定量描述不同的相關關系,本文采用經典方法——統計學奠基人K．Pearson提出的積矩相關系數(Pearson’s product moment correlation coefficient, PPMCC)法[22],主要用于度量兩個隨機變量之間線性關系的強弱[23]。相關系數的取值范圍為[-1, 1],其值越接近1或-1說明它們的關系越密切。本文以巖石物性(密度、彈性波速度、磁化率和電阻率)與光譜反射率的相關特征為基礎,分別計算巖石光譜各波段(350～2 400 nm)反射率與巖石物性之間的相關系數,通過相關系數分析探討巖石光譜與巖石其他物性的相關關系。

巖石物性與光譜反射率的相關系數計算公式如下:

式中:Pi為第i塊巖石標本的物性值;N為巖石標本數;Sref i為第i塊巖石標本的光譜反射率;R為巖石物性值與光譜反射率的相關系數。

3 巖石標本采集及測定

在遼西地質走廊帶以及鄰區地質區域(圖2)進行巖石標本采集,保證巖石分布在研究區域的各個地層,并在室內進行了鏡下標本定名,以便更好地對采集的巖石樣本進行巖性分類。

圖2 遼西地質走廊帶巖石物性分析采集區域地質圖以及相應巖石標本采集位置

本研究使用便攜式高性能光譜儀ASD FieldSpec Pro FR對研究區巖石樣本進行可見光紅外光譜反射率測量,測試波譜范圍為350～2 500 nm,2個短波紅外通道(swir 1和swir 2)光譜范圍分別為900～1 850和1 700～2 500 nm,2個通道的波段范圍存在很小程度的重疊。可見光波段范圍的光譜采樣間隔為1.4 nm,分辨率約為3.0 nm;近紅外波段范圍的光譜采樣間隔為2.0 nm,分辨率為6.5～8.5 nm,根據儀器工作的現場視角決定具體分辨率。在無光照暗室條件下,選用直接接觸方式對巖石樣本進行可見光近紅外光譜測量。圖3為巖石光譜測量實驗的記錄照片。光譜儀選用50 W的鹵素燈光源,測量工作開始前將儀器預熱20 min,儀器預熱期間同時開啟光源。采用白板定標對光譜儀進行校準,每隔10 min將儀器進行白板重定標,每個巖石樣本采集10條光譜,以算術平均值代表該巖石樣本的光譜反射率實際值。

圖3 光譜分析工作照

巖石密度由中國臺灣生產的MH-600Z密度儀測定;彈性波速度由美國生產的安捷倫E1437A波形記錄儀測定;磁化率由捷克生產的SM-30磁化率儀測定;電阻率由中國產的YDC-Ⅱ電阻率測定儀測定。

4 結果分析

巖石物性參數受巖石構造、巖石成分和地質環境等內外因素的影響。因此,在分析巖石物性之間的相關關系時,應先將巖石進行分類,再進行不同巖石類型物性之間的相關性研究,以便分析各類巖石的特征,為后續利用巖石物性相關性特征研究巖石分類提供基礎性研究資料。表1列出了遼西地質走廊帶巖石樣品的分類,以及各類巖石樣品的數目、礦物類型和形成時代。將每類巖石樣品的密度、彈性波速度、磁化率、電阻率與巖石光譜反射率做相關性分析,得到如下分析結果。

表1 遼西地質走廊帶巖石樣品類型

4.1 沉積巖物性與光譜反射率的相關性

研究區內沉積巖主要分為兩大類:內源沉積巖(白云質灰巖、灰巖、含燧石條帶白云巖和白云巖)和陸源碎屑巖(石英砂巖、長石砂巖和長石石英砂巖)。研究這兩類巖石物性參數的相關特征來判斷巖石的類型。

從圖4a、b中可以看出,內源沉積巖與陸源碎屑巖的物性相關特征明顯不同,兩類巖石的光譜反射率與密度、彈性波速度、磁化率和電阻率相關特征具有明顯差異,其成巖環境也有所不同。整體上內源沉積巖和陸源碎屑巖的物性與光譜反射率的相關程度較弱,從統計學角度無法直接應用巖石物性與光譜反射率進行巖石特征研究。

a. 內源沉積巖;b. 陸源碎屑巖;c. 白云質灰巖;d. 灰巖;e. 含遂石條帶白云巖;f. 白云巖;g. 石英砂巖;h. 長石砂巖;i. 長石石英砂巖。

4.1.1 白云質灰巖

白云質灰巖的密度與光譜反射率正相關,相關系數在波長400～2 200 nm緩慢增加,在2 200～2 500 nm出現較大的波動,整體集中在0.2～0.4;在1 000 nm出現明顯的跳臺,在2 300～2 380 nm出現急速上升后下降的特征;在2 350 nm左右相關性最好,相關系數最大值為0.41,在2 200～2 500 nm曲線呈現類似正弦曲線的形式(圖4c)。因此,白云質灰巖的密度會影響白云質灰巖2 000～2 400 nm波段反射率的特性,對白云質灰巖的形成研究有一定的價值。白云質灰巖的彈性縱波速度與光譜反射率負相關,整體相關性較好,短波長附近相關系數絕對值在0.4附近變化,相關系數絕對值最大為0.470 3;整體變化特征與密度和光譜反射率的相關系數相似,在400～1 000 nm相關性較高,相關系數絕對值保持在0.4附近,在1 000～2 200 nm相關性逐漸減弱,在2 200～2 500 nm出現較大波動。白云質灰巖彈性橫波速度和電阻率與光譜反射率的相關系數在0附近,在400～2 500 nm由負向正緩慢變化;彈性橫波速度與光譜反射率的相關系數在2 300～2 500 nm和密度與光譜反射率的相關系數變化趨勢一致,而電阻率與光譜反射率在2 000～2 500 nm之間基本不存在相關特征。白云質灰巖彈性橫波速度和電阻率與光譜反射率不存在相關性,可以從另一角度來確定該巖石的特性。白云質灰巖磁化率與光譜反射率負相關,相關系數在-0.2附近,在1 900 nm后出現緩慢降低。白云質灰巖的密度、彈性波速度、磁化率、電阻率與光譜反射率的相關特征具有其獨特性,通過分析白云質灰巖密度、彈性縱波速度、磁化率與光譜反射率的相關性分布特征,以及電阻率和彈性橫波速度與光譜反射率的非相關性對巖石基礎屬性進行判別,并與其化學成分進行綜合分析,推斷白云質灰巖具有更加穩定的成巖環境,沉積過程中受外界物理環境變化影響較小。

4.1.2 灰巖

灰巖物性與光譜反射率基本呈負相關關系,其中光譜反射率與彈性縱波速度的相關性最好,相關系數絕對值在0.598附近,而與磁化率的相關性最差,相關系數基本上在0附近(圖4d)。灰巖的彈性波速度和電阻率與光譜反射率之間的相關系數絕對值在350～500 nm快速增大,在500 nm以后逐漸平穩,在2 350 nm附近出現巨大波動。灰巖的密度與光譜反射率之間的相關系數曲線變化趨勢與以上3條曲線類似,但在450 nm附近波動相反,在2 350 nm之間浮動變化與其他曲線不同,相關系數絕對值增加有所減小,相關性較弱。從灰巖物性與光譜反射率的相關特性出發,從正負相關性的變化可以對灰巖與白云質灰巖進行區分,也可以對這兩類巖石的成巖環境進行對應性分析。

4.1.3 含燧石條帶白云巖

含燧石條帶白云巖物性與光譜反射率之間的相關系數有正有負,密度和磁化率與光譜反射率之間的相關性好(圖4e)。含燧石條帶白云巖的密度與反射率的相關系數變化范圍為-0.946 0～-0.068 7:在350～400 nm之間相關系數絕對值非常小,相關性不好;在400～600 nm之間急劇減小,慢慢趨于平緩。含燧石條帶白云巖的磁化率與反射率的相關系數變化范圍為0.449 4～0.879 2,從350 nm開始緩慢減小,逐漸趨于平穩,曲線與密度的相關曲線相似。含燧石條帶白云巖的彈性縱波速度和彈性橫波速度與光譜反射率之間的相關系數曲線形態整體一致,相關系數變化平穩,變化范圍分別為-0.524 4～-0.244 0和-0.524 4～-0.141 6。含燧石條帶白云巖的電阻率與光譜反射率的相關系數曲線同密度和磁化率與光譜反射率的相關系數曲線較為一致,但是其變化的幅度非常大,在-0.423 5～0.449 3之間。從含燧石條帶白云巖密度與光譜反射率的強負相關特性中可以了解到,其成巖環境與其形成的沉積環境有很大的關聯性,利用巖石密度與光譜反射率之間的相關性可以有效地對含燧石條帶白云巖進行分析與判別。同時,含燧石條帶白云巖磁化率與光譜反射率之間具有強正相關特性,說明內部磁性物質在成巖過程中并沒有被完全破壞,可以間接推斷含燧石條帶白云巖的成巖特征。通過含燧石條帶白云巖的巖石物性與光譜反射率的相關性分析,可以對含燧石條帶白云巖類巖進行分析與判別。

4.1.4 白云巖

白云巖密度、彈性波速度和電阻率與光譜反射率相關系數曲線的形態相似,在1 400、1 900、2 200、2 400 nm附近出現極值(圖4f)。白云巖的彈性波速度與光譜反射率的相關系數在350～2 500 nm之間大致成上升狀態。磁化率與光譜反射率基本為正相關,只有在420 nm之前為負相關,在600 nm之前上升較快,而在這之后逐漸平穩。分析白云巖物性與光譜反射率的整體相關特性,可以對其巖石類型進行基礎的判別,并從物理與化學形成環境角度對其成巖過程進行分析。

4.1.5 石英砂巖

石英砂巖物性與光譜反射率的相關系數曲線均相對平緩,密度與光譜反射率的相關系數在600 nm以后穩定在-0.6附近,電阻率和彈性波速度與光譜反射率之間的相關系數曲線類似,磁化率與光譜反射率無相關性(圖4g)。從相關系數分析可以明確石英砂巖只有密度與光譜反射率存在一定的相關性,其他物性與光譜反射率相關性不明顯,說明此巖石成因環境化學特征并不明顯。

4.1.6 長石砂巖

長石砂巖物性與光譜反射率的相關系數曲線在700 nm之后具有相似的變化規律,但相關系數取值范圍不同,密度、彈性縱波速度、彈性橫波速度、磁化率、電阻率與光譜反射率的相關系數分別為: -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(圖4h)。從這5條相關系數曲線可以發現,只有電阻率與反射率在450 nm之后為正相關,其他均為負相關。在2 500 nm附近曲線的變化形態極為相似,可以作為變化依據在后續的定性及半定量研究中應用。依據長石砂巖不同波段物性與光譜反射率之間的相關特性差異對巖石的特性進行綜合研究,可以對巖石的基礎類型進行判別。

4.1.7 長石石英砂巖

從長石石英砂巖物性與光譜反射率的相關曲線(圖4i)可以看出,長石石英砂巖物性與光譜反射率的相關性劣勢于長石砂巖,密度、彈性波速度、磁化率、電阻率與光譜反射率的相關性較弱,無法有效利用這些較弱的關系對巖石的基礎物理性質進行綜合分析。

4.2 火成巖物性與光譜反射率的相關性

4.2.1 安山巖

安山巖的密度與光譜反射率的相關系數逐漸減小,在-0.564 1～0.273 3之間變化,出現極小值的位置與彈性波速度的峰值位置相同。彈性縱波速度和彈性橫波速度與光譜反射率的相關系數曲線特征相似,彈性縱波速度與光譜反射率的相關性更好。磁化率與光譜反射率的相關系數變化平穩,在-0.732 5～-0.480 5內浮動。電阻率與光譜反射率相關性差,相關系數在0～0.2之間浮動,變化相對穩定(圖5a);安山巖的電阻率與光譜反射率相關度很低,無法應用這種相關性進行巖石基礎物理性質進行研究。

a. 安山巖;b. 安山質火山巖;c. 含角礫火山巖;d. 淺成侵入巖;e. 深成侵入巖。

4.2.2 安山質火山巖

安山質火山巖物性與光譜反射率均為負相關關系(圖5b)。其中:磁化率與光譜反射率的相關性最好,它的相關系數變化很小,為-0.823 6～-0.541 4,峰值點出現在550和1 900 nm;密度、彈性橫波速度、彈性縱波速度與光譜反射率的相關系數曲線形態基本一致;電阻率與光譜反射率的相關系數曲線和其他的都不太一致,而且相關性非常差,相關系數為-0.498 1～-0.098 9。火山巖由于受其成巖環境影響,其內含的磁性物質較為豐富,從整體上看磁化率與光譜反射率具有強相關特性,其他物性由于其成巖過程外部環境的差異性變化而存在一定差異,導致巖石物性與光譜反射率具有不同的相關特征。利用這些相關系數的差異可以有效對安山質火山巖進行分析與判別。

4.2.3 含角礫火山巖

含角礫火山巖物性與光譜反射率均為負相關關系,密度、彈性縱波速度和磁化率與光譜反射率的相關性非常好,彈性橫波速度與光譜反射率的相關性較差;同時相關系數曲線形態基本一致,但是磁化率與光譜反射率的相關系數絕對值在1 900 nm位置沒有顯著變小,相關性一直保持很好(圖5c)。巖石物性與光譜反射率的相關關系可以揭示含角礫火山巖成巖環境穩定,具有良好的礦物結晶環境,為其判別與分析提供重要依據。

4.2.4 淺成侵入巖(正長斑巖、閃長玢巖)

測量電阻率的淺成侵入巖樣本較少,為了保持地質統計學的需要(需要超過5塊),在本次相關性分析中不做電阻率與光譜反射率的相關性分析,希望在后續的工作中能夠完善這部分相關分析。

淺成侵入巖的彈性橫波速度與光譜反射率的相關系數曲線非常有特點,與其他相關系數曲線明顯不同(圖5d):在350～400 nm之間陡然增加,相關系數變化非常劇烈;在400～600 nm之間,相關系數以二次函數形式減小;之后緩慢變小,逐漸平穩,相關系數絕對值最高達0.913 1。淺成侵入巖的密度、彈性縱波速度和磁化率與光譜反射率的相關系數曲線形態相似:在350～550 nm之間,磁化率與光譜反射率的相關性最好,相關系數絕對值基本接近1,密度比彈性縱波速度的相關性好;在700 nm之后,密度和彈性縱波速度與光譜反射率的相關系數曲線基本重合,磁化率與光譜反射率的相關系數絕對值比密度和彈性縱波速度小一個很小的量級;整體上相關系數分別為-0.886 6～-0.443 9、-0.947 7～-0.449 4、-0.980 1～-0.336 1。可以應用這種強相關特性判別其巖石類型,為其巖石形成環境的判別提供支撐。

4.2.5 深成侵入巖(花崗巖)

深成侵入巖的電阻率與光譜反射率正相關,而密度、彈性波速度和磁化率與光譜反射率基本負相關,只有在400 nm附近有一部分正相關系數,整體曲線都比較平滑,曲線的變化形態基本一致(圖5e)。深成侵入巖的密度和磁化率與光譜反射率的相關系數曲線在600 nm之前相似度高,相關系數絕對值均逐漸增大;密度相關系數絕對值在1 200 nm之后逐漸變小,磁化率相關系數逐漸變得平穩,只是在2 200 nm附近相關系數絕對值變小。深成侵入巖的彈性縱波速度和彈性橫波速度與光譜反射率的相關系數曲線相似,只在2 200 nm附近有所不同。電阻率與光譜反射率的相關系數基本都是正值,整體為下降趨勢,局部出現上升。深層侵入巖其成巖環境穩定,其相關參數具有強相關特性,可以用于其巖石類型判別。

5 結論

1)通過對遼西地質走廊帶大量巖石標本進行巖石密度、彈性波速度、磁化率和電阻率與光譜反射率相關性的統計分析,認為利用巖石物性與光譜反射率可以輔助分析巖石的類型及其成巖環境。

2)本區域的巖石物性與光譜反射率的相關性分析可以揭示沉積巖與火成巖的成巖環境具有差異性。整體上外部物理環境會導致巖石密度、波速與光譜反射率的相關性具有較強的內在關聯性,而內部化學環境變化導致巖石磁化率、電阻率與光譜反射率的相關性較強,物理環境與沉積巖的成巖環境有關,化學環境與火成巖的成巖環境有關,利用巖石物性與光譜反射率相關系數的差異性可以間接為沉積巖和火成巖的巖石成因以及其成巖環境差異提供新的研究思路。

本文通過各類巖石物性的相關性研究,為巖石類型和巖石成因研究提供支撐。同時,本文為探索性研究,以巖石類型為基礎,通過基礎物理屬性推斷各類巖石的形成特點。巖石的基礎物理屬性研究仍為探索性課題,為后續研究提供研究思路和借鑒。