Classification and Well-Logging Identification of Eclogite in Main Hole of Chinese Continental Scientific Drilling Project
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摘要: 榴辉岩是中国大陆科学钻探主孔的主要岩性之一, 分布在3245m之上.根据测井响应特征, 如自然伽玛、密度、中子孔隙度等, 可以很好地区分榴辉岩与主孔的其他岩类.由于主孔榴辉岩具有不同的矿物成分、全岩化学成分和测井响应特征, 这为进一步详细划分榴辉岩亚类奠定了基础.从原岩的起源、氧化物含量、次要矿物等3个角度对主孔榴辉岩进行分类, 研究了基于多元统计学的榴辉岩亚类的测井识别方法; 利用该方法对重构的11种榴辉岩亚类进行测井评价, 将可以利用测井资料识别的榴辉岩亚类归并为6种; 根据对榴辉岩亚类的识别结果, 将主孔中榴辉岩划分为20个层段, 分析了各种榴辉岩亚类在主孔中的深度分布特征, 为地学研究提供了资料.Abstract: Eclogite, one of the important lithologies in the main hole of Chinese Continental Scientific Drilling (CCSD) Project, is distributed over 3 245 m above the sea-level. Gamma-ray, compensating density and neutron well-logging and so on can be used to distinguish the ecolgite from others in the main hole. In the paper, because of diverse mineral and chemical components and well-logging responses, eclogites are classified in terms of three aspects: origin, content of oxids and sub-minerals. The studied statistical method in the paper is used to evaluate 11 kinds of reconstructed eclogites. As a result, eclogites can be divided into 6 types by using of well logs. With the identification of these six types in the main hole, 20 sections of eclogites are sorted and analyzed, which will provide important information for geological research of CCSD.
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2001年6月25日至2005年1月23日, 在江苏东海实施的中国大陆科学钻探工程(简称CCSD) 是国家“九五”重大科学钻探工程项目和国际大陆科学钻探计划(ICDP) 的重点项目, 以重要命题“大陆板块会聚边界的地幔动力学”和“超高压变质岩形成与折返机制”的研究为科学目标, 受到了国际地学界的高度重视(许志琴, 2004; 许志琴等, 2005).为了保证科学钻探的顺利实施和地学研究目标的全面实现, CCSD采用先进的ECLIPS5700测井系统的20多种测井方法, 获得了主孔全井段超高压变质岩的原位测量信息(牛一雄等, 2004).测井结果表明, 利用自然伽玛、密度、中子孔隙度、自然伽玛能谱测井的K含量, 参考光电吸收截面指数和双侧向电阻率测井等资料, 能够较好地识别CCSD主孔的蛇纹岩、正片麻岩、副片麻岩、角闪岩、榴辉岩等大类(潘和平等, 2005).岩石的磁化率和密度等实验参数的研究表明, 主孔各岩类存在较为明显的物性差异(徐海军等, 2006).
榴辉岩是中国大陆科学钻探主孔最主要的岩性之一, 分布在主孔的3 245 m之上, 测井统计的总厚度为979 m.榴辉岩主要由石榴石、绿辉石组成, 含少量石英、金红石、多硅白云母、蓝晶石、角闪石、黝帘石(绿帘石) 和锆石等.研究表明, 这些榴辉岩具有不同的矿物成分和全岩化学成分, 代表了各自不同的原岩类型和变质过程(张泽明等, 2004; 张泽明等, 2005).由于不同矿物组分的物理性质存在差异, 因此含不同矿物组分的榴辉岩的测井响应特征存在一定的差异.为了进一步掌握榴辉岩的岩性, 本文对主孔的榴辉岩分类方法进行了总结, 研究了利用测井资料对榴辉岩进行精细解释的方法.根据榴辉岩亚类的识别结果, 对各亚类在主孔中的分布特征进行了分析.
1. 主孔榴辉岩的测井响应特征
榴辉岩属超高压变质岩.中国大陆科学钻探工程对超高压变质岩实施的测井在国内尚属首例.榴辉岩区别于其他岩性的显著测井响应特征如下:
(1) 石榴石、绿辉石都是密度较大的矿物, 约为3.8 g/cm3和3.4 g/cm3.因此, 榴辉岩的密度测井值高于主孔的其他岩性, 一般为2.95~3.51 g/cm3.当榴辉岩中富集密度更大的矿物时, 如金红石、钛铁矿、黄铁矿, 密度测井值会更大, 可超过4.0 g/cm3.当榴辉岩发生退变质时, 角闪石含量增加, 石榴石和辉石含量减少, 此时榴辉岩的密度测井值会有所降低, 退变质程度越高, 密度越小.
(2) 榴辉岩的原岩属基性至中性岩, 其自然伽玛测井值低于片麻岩, 但高于蛇纹岩, 平均值为16.48 API.当发生退变质时, 放射性强度稍有增加.
(3) 榴辉岩的Pe测井值稍高于片麻岩和角闪岩, 平均值约为4 b/e.由于钛和铁元素的原子序数较大, 当富集金红石、黄铁矿等矿物时, Pe测井值更大, 有时出现超过16~18 b/e的尖峰.CCSD主孔的Pe曲线高尖峰出现的位置与地科院矿床所(徐珏等, 2004) 的矿化剖面有极好的相关性, 说明Pe测井资料在变质岩金红石和黄铁矿矿化研究中具有重要的作用.
(4) 榴辉岩的中子孔隙度测井值小, 当发生退变质时, 含氢量增大, 中子孔隙度测井值增大.
2. 榴辉岩的分类
主孔榴辉岩在矿物、化学成分等方面存在一定的差别, 这些差异为榴辉岩的进一步分类奠定了基础.根据所采用的不同分类标准, 可以得出不同的榴辉岩分类结果.
2.1 按照原岩的起源分类
根据矿物学、岩石学和测井响应特征分析, 主孔榴辉岩可能有两种来源, 即幔源和壳源(游振东等, 2004; 王文先等, 2005).壳源榴辉岩是指变质前长期居留于陆壳的基性至中性岩浆岩经超高压变质作用的产物; 幔源榴辉岩指直接与地幔岩有关的基性岩类在深俯冲过程中加入俯冲板片, 以致遭受超高压变质的叠加.
根据测井响应特征, 主孔中第一段蛇纹岩之上的金红石榴辉岩是一段很特殊的岩性, 主要发育井段为531~700 m, 其测井响应特征与其他段的金红石榴辉岩存在显著的差别(图 1).
图 1a为与蛇纹岩伴生的幔源型榴辉岩.测井响应特征为: 榴辉岩的自然伽玛特低, 小于5 API, 与蛇纹岩相似, 属超基性岩特征.自然伽玛能谱在531 m之下显示钾和钍明显变低.密度平均值达到3.60 g/cm3, 钛铁矿化突出处最高密度达4.03 g/cm3.中子孔隙度为5%~10%, 高于其他段榴辉岩的中子孔隙度.光电吸收截面指数很高, 平均值达8 b/e, 更有很多超过15 b/e的小峰, 最高处有近20 b/e的尖峰, 表明地层中含有较高的铁质矿物.
图 1b中, 188.5~210.8 m为典型的壳源金红石榴辉岩, 岩石十分新鲜, 未发生退变质.测井响应特征表现为: 自然伽玛较高(大于5 API), 密度约为3.2~3.4 g/cm3, 中子孔隙度低于5%, 光电吸收截面指数平均值约6 b/e, 尖峰普遍小于10 e/b.
2.2 按氧化物含量进行分类
根据全岩化学成分测试结果, 可将榴辉岩归并成6种成分类型, 即高硅型、高铝型、高钛型、高钛-铁型、高镁型和普通型(张泽明等, 2004).主孔中各类榴辉岩具有不同的氧化物含量特征和发育深度.
(1) 高钛型榴辉岩: 当榴辉岩中TiO2的含量为3%~6%时, 形成所谓的高钛型榴辉岩.主孔中含钛量高的矿物有: 金红石、钛铁矿、榍石和钛磁铁矿等; 其他矿物, 如石榴子石、辉石、角闪石、云母等矿物都含有不同量的钛, 但是含钛量一般不超过2.67% (徐珏等, 2004).在主孔含钛的所有矿物中, 以金红石最为发育.所以, 主孔中的高钛型榴辉岩主要对应于金红石榴辉岩.
(2) 高钛-铁型榴辉岩: 与钻孔中其他类型的榴辉岩相比, 高钛-铁型榴辉岩具有十分特殊的化学成分: 最低的SiO2 (< 45%), 最高的TFe (> 20%) 含量, TiO2和CaO的含量与高钛型榴辉岩的相当, 而高于其他类型的榴辉岩.高钛-铁型榴辉岩主要出现在主孔的531~603.4 m, 与上面描述的幔源榴辉岩相对应.根据岩心描述, 该段主要为含黄铁矿金红石榴辉岩, 部分层段发育钛铁矿化.
(3) 高镁型榴辉岩: 高镁型榴辉岩主要出现在主孔606.0~684.2 m井段, 为石英榴辉岩, 岩层厚0.8~2 m.根据岩心描述资料, 该段榴辉岩与蛇纹岩呈互层产出, 两者之间多为渐变接触关系.该类榴辉岩的MgO含量(12.2%~21%) 是所有类型榴辉岩中最高的; Na2O+K2O和TiO2含量低.与互层的蛇纹岩相比, 该型榴辉岩的测井响应表现特征为高Pe、DEN, 低CNL、磁化率.该型榴辉岩与幔源型榴辉岩相对应.高镁型榴辉岩与高钛-铁型榴辉岩相比, 具有较低的TFe含量.
(4) 高硅型榴辉岩: 高硅型榴辉岩主要出现于主孔1 000 m以上, 岩性多为退变质榴辉岩(发生角闪石化).这是由于榴辉岩由新鲜到退变质, 体系中的SiO2含量越来越高所致.镜下和岩心的观察发现, 榴辉岩中大量石榴石、绿辉石等矿物呈孤岛状漂浮在石英中, 这说明在榴辉岩退变质过程中不断有含SiO2质流体的参与.另外, 在退变质过程中, 榴辉岩MgO、CaO和FeO的含量都在明显降低, 而Al2O3则表现为等化学系列, 基本没有变化(梁凤华等, 2005).因此, 该型榴辉岩具有较高的SiO2 (55%~60%) 和Na2O+K2O (2.9%~7.8%) 含量, 较低的CaO (3.4%~8.4%)、TFe (6.5%~13.9%) 和MgO (0.8%~5.3%) 含量.
(5) 高铝型榴辉岩: 高铝型榴辉岩对应的岩性为多硅白云母榴辉岩.在组成多硅白云母榴辉岩的常见矿物中, Al2O3含量各不相同.其中, 白云母中Al2O3含量近40%, 石榴石中Al2O3含量为20%左右, 辉石中Al2O3含量低于15%, 其他副矿物(如金红石、榍石、钛磁铁矿、钛斜硅镁石等) 中Al2O3含量一般低于1% (斯仑贝谢测井公司, 1998).可见, 随着白云母含量增加, 榴辉岩中铝含量也会相应地增加.高铝型榴辉岩主要出现于主孔1 637~ 2 000 m的井段, 其Al2O3含量大于18%, SiO2、TFe、TiO2含量较低.
(6) 普通型榴辉岩: 普通型榴辉岩是受退变质作用影响较小、各副矿物含量极低的一种榴辉岩.因此, 该型榴辉岩的TiO2和TFe的含量要低于高钛型和高钛-铁型榴辉岩, 而高于高硅型和高铝型榴辉岩.MgO含量低于高镁型榴辉岩, 而超过高硅型榴辉岩.SiO2含量小于高硅型榴辉岩, 而大于高镁型、高钛-铁型榴辉岩.
2.3 按次要矿物分类
受结晶分异作用的影响, 主孔榴辉岩副矿物的类型与含量存在明显的差异.根据岩心观察和镜下鉴定结果, 榴辉岩中所含副矿物有石英(或柯石英)、多硅白云母、蓝晶石、角闪石、黝帘石(绿帘石)、金红石和锆石等.根据变质岩常用的命名原则, 以榴辉岩的次要矿物为标准, 可将榴辉岩分成许多亚类: 石英榴辉岩、金红石榴辉岩、多硅白云母榴辉岩、磷灰石榴辉岩、蓝晶石榴辉岩、金云母榴辉岩、普通榴辉岩等(梁凤华等, 2005).研究表明, 这些榴辉岩亚类在交会图上具有各自的物性分区, 这些分区存在很大的交叉部分(牛一雄等, 2006), 增加了手工方法判别榴辉岩亚类的难度.
3. 主孔榴辉岩亚类的测井识别
下文介绍一种充分利用各种测井资料识别榴辉岩亚类的多元统计学方法——空间距离法.
3.1 空间距离的定义
CCSD采用了多种测井技术进行测量, 获得了地层的多方面信息.每一种测井信息都可以看成是反映地层岩性变化的一个随机变量.在这里, 自然伽玛(GR)、钾(K)、钍(Th)、铀(U)、深侧向电阻率(RD)、密度(DEN)、光电吸收截面指数(Pe)、中子孔隙度(CNL)、声波时差(AC) 等是反映岩性变化的9个变量.它们构成一个多维空间.进行岩性识别时, 根据测井曲线对地层进行划分, 提取地层的测井响应平均值作为相应的变量值, 则每一个地层对应着一个矢量.这个矢量由9个变量值组成, 对应着多维空间的一个点.
主孔中每一种榴辉岩亚类的所有地层都对应着多维空间的一个点群.点群中所有点矢量的平均矢量定义为该点群的重心, 在一个点群中, 每个点矢量与重心距离的平均值定义为该点群的半径.两个点群重心之间的距离称为两个点群的空间距离, 可采用欧氏距离公式计算(矫希国等, 1993).
3.2 点群空间距离与岩性识别效果的关系
利用上述9种资料识别岩性时, 如果代表两个岩性亚类的点群没有重叠部分, 则利用测井资料能够很好地将这两种岩性分开; 如果两个点群完全混叠在一起, 则这两种岩性不能分开; 如果两个点群只有部分重叠, 则在识别岩性时会出现误判, 重叠部分所占两个点群空间的比例越大, 则它们出现误判的可能性就越大.
通过对比两个点群空间距离和半径的关系, 可以判断两个岩性亚类的划分效果.一般来说, 空间中两个点群的位置关系存在4种情况(图 2).图中两个点群的重心为O1、O2, 半径为R1、R2 (设R1 > R2), 点群空间距离为O1O2, K为两个点群的距离与两点群半径的差值, 即K=O1O2-R1-R2.
图 2a中, K > 0, 显然两类岩性亚类的识别效果很好; 图 2b中, K < 0, K < R2, 表明两个岩性亚类空间点群重叠部分较少, 且K/R2越小, 两岩性的识别效果越好; 图 2c中K < 0, 并且K > R2, 识别效果较差; 图 2d中K < 0, 并且K > 2R2, 识别效果最差或不能识别.
3.3 利用点群空间距离识别岩性的方法
利用空间距离识别岩性分2个阶段: 建立模型阶段和判别阶段.
(1) 建立模型阶段: 根据已知钻井编录资料, 进行岩性重构.利用测井曲线划分地层, 提取每个岩性层各种测井响应的平均值, 构成多维空间的一个矢量, 则同一种岩性对应的各矢量构成一个多维空间点群.这个点群代表了这种岩性的空间分区.按照点群空间关系, 对重构岩性的识别效果进行判断, 将属于图 2d情况的两个点群归为一类.如此进行下去, 直到不存在图 2c和图 2d的情况为止.最后, 得到每种岩性的重心矢量及半径.
当钻井编录资料较少时, 可在测井资料分层的基础上, 提取各岩性层测井响应的平均值, 采用交会图或聚类分析的方法重构岩性.
(2) 判别阶段: 对于未知岩性地层, 提取该层测井响应的平均值矢量, 计算它与模型各岩性重心的距离.当这个距离只小于一个点群的半径时, 则将该层的岩性确定为这个点群所代表的岩性.若这个距离小于多个点群的半径时, 则根据半径与这个距离差值的最大值来判别岩性.
3.4 重构和识别榴辉岩亚类
根据CCSD主孔的钻井编录资料, 对榴辉岩亚类进行重构.重构的榴辉岩亚类包括: 榴辉岩、多硅白云母榴辉岩、退变质榴辉岩、金红石榴辉岩、石英榴辉岩、多硅白云母榴辉岩、钛铁矿金红石榴辉岩、石英金红石榴辉岩、角闪石金红石榴辉岩、角闪石多硅白云母榴辉岩、绿泥石多硅白云母榴辉岩.
考虑到不同测井响应值存在数量级差别, 深测向电阻率取以10为底的常用对数, 在识别榴辉岩亚类时, 各种测井数据都进行了归一化处理.利用前面介绍的空间距离关系, 对重构11种榴辉岩亚类的识别效果进行判断, 判断的结果为: 钛铁矿金红石榴辉岩、角闪石金红石榴辉岩、石英榴辉岩与其他亚类的空间关系属于图 2a的情况, 具有明显的识别效果; 榴辉岩与退变质榴辉岩空间分区属于图 2c, 识别效果较差, 应归为一类; 石英金红石榴辉岩、多硅白云母金红石榴辉岩、金红石榴辉岩的空间分区属于图 2c, 识别效果较差, 应归为一类; 绿泥石多硅白云母榴辉岩、角闪石多硅白云母榴辉岩、多硅白云母榴辉岩属于图 2c识别效果较差, 应归为一类.重新对新产生的6个亚类的判别效果进行评价, 它们任意两类之间的空间关系没出现图 2c和图 2d的情况.这样, 利用测井资料可识别的榴辉岩亚类最终被归并为6类.表 1给出了6种榴辉岩亚类的归一化重心与半径.
表 1 6种榴辉岩亚类重心与半径数据Table Supplementary Table Centers and radius of six kinds of eclogite
4. 主孔榴辉岩亚类的分段分析
根据对榴辉岩亚类的划分与识别结果, 将主孔中榴辉岩划分为20个层段(图 3).由图 3可见, 主孔中榴辉岩主要发育在2 000 m以上; 2 000 m以下榴辉岩较少, 主要为退变质榴辉岩, 以第19、20 (2 682.4~2 829.4 m、3 018.4~3 039 m) 段相对较为集中.
图 3 主孔榴辉岩的测井响应及层段划分Fig. 3. Well-logging responses and divided sections of eclogites in main hole of CCSD(石英、多硅白云母) 金红石榴辉岩属高钛型榴辉岩, 主要出现在1 000 m以上, 发育于第1段的上部和第2、4、6、8、10段. (退变质) 榴辉岩属高硅型榴辉岩, 主要出现在第1段的下部和第3、5、7、11、12、15、16、17段, 分布深度较广.另外, 第13、14段中, 退变质榴辉岩和金红石榴辉岩交替出现.
钛铁矿金红石榴辉岩属高钛-铁型榴辉岩, 主孔仅发育3层.其中, 第8段发育两层; 第10段上部发育一层.第8、9段(531~603.4 m、606.5~679 m) 为幔源榴辉岩.第8段主要为幔源型金红石榴辉岩; 第9段全部为石英榴辉岩, 属于高镁型榴辉岩, 与蛇纹岩相伴生.第18段(1 601.7~1 994.6 m) 以多硅白云母榴辉岩为主, 对应高铝型榴辉岩.
5. 结语
榴辉岩与主孔其他岩性的响应特征存在明显的差别, 利用自然伽玛、密度、中子孔隙度、自然伽玛能谱的K含量、光电吸收截面指数和双侧向电阻率等测井资料, 能够较好地识别CCSD主孔的榴辉岩.
研究了识别榴辉岩亚类的多元统计学方法——空间距离法.该方法包括建模和判别两个阶段, 不仅可以对现有分类结果的识别效果进行评价, 而且可以判别未知地层的岩性.应该指出, 本文仅对空间距离法进行了初步的研究.为了提高识别效果, 该方法还存在需要改进的地方: 如, 根据各种测井资料反映不同岩性的显著性, 在建模时应赋予不同的权值, 区别对待; 用其他更复杂甚至不规则形体代替多维空间的球体, 可以对多维空间中各岩性的分区进行更准确的划分.
致谢: 本文得到了中国大陆科学钻探测井中心牛一雄高工、潘和平教授、王文先高工的热情支持, 以及蔡柏林教授、曾繁超总工、刘士毅总工的帮助和指导.在此, 对几位专家表示诚挚谢意. -
图 3 主孔榴辉岩的测井响应及层段划分
Fig. 3. Well-logging responses and divided sections of eclogites in main hole of CCSD
表 1 6种榴辉岩亚类重心与半径数据
Table 1. Centers and radius of six kinds of eclogite
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