利用應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)熱液區(qū)域
——以TAG區(qū)為例

陳欽柱, 陶春輝, 廖時(shí)理, 李懷明, 鄧顯明

(1. 溫州科技職業(yè)學(xué)院 園林與水利工程學(xué)院，浙江 溫州325000；2. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012)

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利用應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)熱液區(qū)域
——以TAG區(qū)為例

陳欽柱1, 陶春輝2*, 廖時(shí)理2, 李懷明2, 鄧顯明2

(1. 溫州科技職業(yè)學(xué)院 園林與水利工程學(xué)院，浙江 溫州325000；2. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012)

本文根據(jù)TAG區(qū)的鉆探資料及巖心測(cè)試結(jié)果，建立了雙層地質(zhì)模型,在此基礎(chǔ)上利用ANSYS應(yīng)力軟件并結(jié)合TAG熱液區(qū)的地形數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)進(jìn)行應(yīng)力模擬。結(jié)果表明:熱液噴口區(qū)域與最大水平應(yīng)力低值區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中仍處于活動(dòng)狀態(tài)的TAG丘狀體區(qū)呈現(xiàn)明顯的局部最大水平應(yīng)力低值;而已經(jīng)停止活動(dòng)并且不具有典型噴口地形的MIR丘狀體區(qū)域則處于最大水平應(yīng)力的非封閉低值區(qū)域。據(jù)此，本文在TAG丘狀體區(qū)域圈定了5個(gè)噴口可能區(qū)域，鉆探結(jié)果揭示區(qū)內(nèi)存在較好的礦化和蝕變現(xiàn)象，表明應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)法可能是一種有效的成礦預(yù)測(cè)方法。

海底地形；TAG熱液區(qū)；應(yīng)力場(chǎng)；成礦預(yù)測(cè)

1 引言

地應(yīng)力是地質(zhì)力學(xué)與巖體力學(xué)研究的基本內(nèi)容之一?，F(xiàn)今對(duì)地應(yīng)力的研究主要集中在巖層中各部位的應(yīng)力狀態(tài)的模擬及推測(cè)。通過(guò)分析應(yīng)力分布，可以為工程建筑區(qū)域穩(wěn)定性提供依據(jù)，同時(shí)還能由應(yīng)力場(chǎng)的分布推測(cè)可能產(chǎn)生破裂的區(qū)域[1]。Sch?pa等[2]通過(guò)分析巖體自重引起的應(yīng)力場(chǎng)推測(cè)武爾長(zhǎng)諾島上熱噴口的位置。

地應(yīng)力形成的原因十分復(fù)雜，至今仍是未完全解決的問(wèn)題。地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)有關(guān)，溫度、水壓梯度也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)。其中，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和巖體自重應(yīng)力場(chǎng)是現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的主要組成部分[3]。陸地上對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的研究大多數(shù)是基于實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)有限元數(shù)學(xué)模型回歸分析或者邊界載荷調(diào)整等方法尋找最優(yōu)的邊界條件，使模型在應(yīng)力實(shí)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)測(cè)應(yīng)力值最接近，從而模擬得到整個(gè)研究區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)[4—6]。但在有些情況下，也會(huì)在只考慮巖體自重條件下計(jì)算整個(gè)研究區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)[2]。

現(xiàn)有關(guān)于海底應(yīng)力場(chǎng)的研究主要集中在洋中脊形成過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)變化。Buck 等[7]通過(guò)考慮巖層密度和局部構(gòu)造對(duì)應(yīng)力的影響來(lái)研究洋中脊地形形成的原因及過(guò)程。然而，隨著陸地上礦產(chǎn)資源的不斷被消耗利用，海底賦存的資源日漸受到重視，其中海底多金屬硫化物礦產(chǎn)以其巨大的潛在價(jià)值尤其受到科學(xué)家的關(guān)注[8]。在此背景下，科學(xué)家希望通過(guò)研究海底熱液區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)為圈定海底多金屬硫化物富集區(qū)提供一些依據(jù)。但是由于海上作業(yè)成本及難度的原因，至今還難以如陸地上一樣獲得實(shí)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。因此，海底熱液區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)研究一直是一個(gè)難點(diǎn)。最近，在僅有多波束海底地形數(shù)據(jù)的情況下， Petukhov等[9]嘗試通過(guò)對(duì)不同熱液區(qū)的海底應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，最后總結(jié)發(fā)現(xiàn)海底切應(yīng)力場(chǎng)與熱液噴口存在一定的關(guān)系。本文在此基礎(chǔ)上，融合了Sch?pa等[2]利用應(yīng)力場(chǎng)尋找陸地?zé)釃娍诘睦碚?，提出利用最大水平?yīng)力場(chǎng)尋找熱液噴口可能存在區(qū)域的方法。

2 方法介紹

為了盡可能接近真實(shí)地形的應(yīng)力場(chǎng)的模擬，本次研究主要采取有限元的方法求解目標(biāo)區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)。有限元應(yīng)力求解法具有處理復(fù)雜多變模型的能力，適合處理不規(guī)則的地形模型[4]?，F(xiàn)今市場(chǎng)上存在多種可選的有限元應(yīng)力分析軟件，比如ANSYS和FLAC 3D，ANSYS在靜力分析中具有支持大應(yīng)變、大變形且可選分析單元種類(lèi)豐富的特點(diǎn)。本文主要采用ANSYS軟件分析巖體受力變形情況。具體模擬分析過(guò)程分以下3個(gè)步驟：

首先，利用FLAC 3D和surfer軟件建立符合真實(shí)海底地形的地質(zhì)實(shí)體模型。針對(duì)大西洋的巖性特征，模型采用雙層地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)大西洋TAG區(qū)鉆探結(jié)果確定相應(yīng)巖層的楊氏模量、泊松比和密度等物性參數(shù)[10]。

然后，根據(jù)實(shí)際需要確定相應(yīng)的模型邊界條件。據(jù)前人研究表明，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)，淺層地應(yīng)力主要受到起伏地形影響[11]?？紤]模型邊界條件的時(shí)候，力求不對(duì)目標(biāo)區(qū)產(chǎn)生太大的邊界效應(yīng)。因此，在只考慮巖體自重引起的應(yīng)力條件下，為了使下底面邊界不對(duì)海底目標(biāo)區(qū)域的應(yīng)力結(jié)果產(chǎn)生太大影響，模型中相對(duì)加大下底面邊界的截止深度。對(duì)于其他幾個(gè)面的邊界條件的處理方式具體如下：固定模型前后和左右邊界面的x，y方向的位移；底面邊界則施加x,y,z三方向邊界約束；上表面則不做任何約束，使其自由活動(dòng)[12]；施加的重力加速度g，使用以下計(jì)算公式獲得[13]:

g=9.780 49(1+0.005 288sin2φ

-0.000 006sin22φ-0.000 308 6Z) m/s2，

其中，φ為緯度值，Z為海拔高度值，獲得TAG區(qū)重力加速度為9.802 m/s2。

最后，通過(guò)ANSYS應(yīng)力分析軟件計(jì)算海底應(yīng)力場(chǎng)并分析結(jié)果。與Petukhov利用模擬的切應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果研究熱液噴口的位置相比，本文認(rèn)為最大水平主應(yīng)力場(chǎng)更能體現(xiàn)一個(gè)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)，而且更易于結(jié)合陸地上尋找熱噴口的相關(guān)理論。因此，在結(jié)果討論部分主要研究最大水平主應(yīng)力場(chǎng)與噴口位置的關(guān)系。

3 地質(zhì)背景

Trans-Atlantic Geo-Traverse(TAG)熱液區(qū)是在大西洋中脊最早發(fā)現(xiàn)的大型熱液活動(dòng)區(qū)，該區(qū)位于慢速擴(kuò)張的中大西洋洋中脊26.08°N附近，靠近洋中脊裂谷東壁的谷底中[14](圖1)。ODP158航段的鉆探結(jié)果表明，TAG熱液區(qū)的基底巖石主要由玄武巖枕狀熔巖組成，這些巖石通常遭受了不同程度的熱液蝕變作用[15]。據(jù)估計(jì)，該區(qū)的熱液活動(dòng)歷史有20 000年之久，并具有多期次熱液活動(dòng)的特征[15]。

圖1 TAG區(qū)域地形圖，其中兩個(gè)方框的區(qū)域?yàn)閼?yīng)力模擬模型的范圍Fig.1 Topographic map of TAG hydrothermal field, the boxes show modeling regions

TAG熱液區(qū)的面積大約為25 km2，水深在2 300～4 000 m之間，在此熱液區(qū)上發(fā)現(xiàn)3處熱液帶：兩個(gè)非活動(dòng)的熱液丘狀體殘留區(qū)MIR(26°08.7′N(xiāo)，44°48.4′W)和AIVIN區(qū)(26°09.54′～26°10.62′N(xiāo)，44°48.89′～44°48.50′W)以及現(xiàn)今仍然處于活動(dòng)期的TAG丘狀體 (26°08.21′N(xiāo), 44°49.57′W)[16]。此外，根據(jù)大西洋洋中脊深鉆巖石測(cè)試結(jié)果，推斷在地層表面至150 m范圍內(nèi)為固結(jié)玄武巖以及礫狀沉積物的混合物，150 m以下則主要是固結(jié)玄武巖[10]。

4 應(yīng)力模擬及結(jié)果

4.1 模型的建立

文中采用的多波束地形數(shù)據(jù)主要是通過(guò)geomap軟件獲取的公開(kāi)數(shù)據(jù)，其中包括TAG熱液丘狀體的局部高精度地形圖以及Tivey等[17]在TAG區(qū)獲取的高精度多波束數(shù)據(jù)。借助于sufer的強(qiáng)大網(wǎng)格劃分能力和flac5.0對(duì)數(shù)據(jù)整合能力，實(shí)現(xiàn)了多波束數(shù)據(jù)和ANSYS實(shí)體模型的銜接。

因?yàn)锳LVIN殘留熱液區(qū)的分布面積較分散，不利于體現(xiàn)熱液集中區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)，并且綜合考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和模型網(wǎng)格劃分精度，本文建立了兩個(gè)實(shí)體模型，其中一個(gè)為3 500 m×2 340 m的TAG熱液區(qū)小比例尺模型(圖2)，另一個(gè)則為230 m×265 m的局部大比例尺的TAG丘狀體模型(圖3)。兩個(gè)模型的地形都是根據(jù)網(wǎng)格化的多波束數(shù)據(jù)確定，并把經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的距離坐標(biāo)。根據(jù)大西洋洋中脊的巖層特性，兩個(gè)模型均為雙層結(jié)構(gòu)，同時(shí)按照Deep-Sea Drilling Project(DSDP)第37航段的巖心測(cè)量結(jié)果，賦予兩層地層相應(yīng)地層物性參數(shù)[10](詳見(jiàn)表1)。

表1 巖石物性參數(shù)(據(jù)Hyndman和Drury [10]修改)

圖2 TAG熱液區(qū)小比例尺模型Fig.2 The small scale model of TAG hydrothermal field

圖3 TAG丘狀體大比例尺模型Fig.3 The large scale model of TAG doom model

4.2 計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算的過(guò)程中，模型統(tǒng)一采用solid185單元類(lèi)型，使用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，劃分的結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。其中TAG區(qū)模型共劃分了2 526 983個(gè)單元和453 029個(gè)節(jié)點(diǎn)，TAG丘狀體模型共劃分了4 237 477單元和848 739個(gè)節(jié)點(diǎn)。在靜態(tài)應(yīng)力條件下，采用Pre-Condicton (CG)求解器對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)比節(jié)點(diǎn)z方向的位移結(jié)果和模型區(qū)域的地形(圖4，圖5)，可以看出在地勢(shì)較高的部位節(jié)點(diǎn)z方向位移值較大，在地勢(shì)低洼的部位節(jié)點(diǎn)z方向位移值較小，這一結(jié)果符合重力變形基本理論。且在模型的底面，z方向位移為0，結(jié)果和最初施加的邊界條件約束相吻合。該模型z方向位移結(jié)果的數(shù)量級(jí)和前人重力模擬位移結(jié)果的相對(duì)數(shù)量級(jí)相似，可知本次模擬結(jié)果是可信的[18]。

圖4 小比例尺模型z方向位移結(jié)果圖Fig.4 The z direction displacement of small scale model

圖5 TAG丘狀體模型z方向位移結(jié)果Fig.5 The z direction displacement of TAG doom model

5 分析討論

海底多金屬硫化物是海底熱液活動(dòng)的產(chǎn)物。海底熱液循環(huán)系統(tǒng)的形成與海底斷裂和裂隙等密不可分。海底裂隙為熱液循環(huán)系統(tǒng)提供了熱液流通和礦物質(zhì)交換沉淀的場(chǎng)所，為熱液系統(tǒng)循環(huán)的產(chǎn)生提供了條件。因此，可以通過(guò)尋找裂隙的可能區(qū)域，來(lái)間接尋找海底多金屬硫化物。

早在1951年 Anderson就發(fā)現(xiàn)巖石中的3個(gè)主應(yīng)力提供了水壓破裂方向的相關(guān)信息，即裂隙將沿著最大主應(yīng)力的方向發(fā)育，同時(shí)裂隙垂直于最小主應(yīng)力方向[19]。 Sch?pa等在研究陸地火山熱噴口與巖體自重引起的應(yīng)力的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)高溫?zé)釃娍谥饕霈F(xiàn)在水平最大主應(yīng)力低值區(qū)[2]。因此研究水平和垂直應(yīng)力的大小和方向有助于分析流體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，同時(shí)也能為推測(cè)海底熱液噴口位置提供一定依據(jù)。

據(jù)此，提取兩個(gè)模型海底面的最大水平主應(yīng)力結(jié)果信息，分析最大水平主應(yīng)力與噴口斷裂的關(guān)系。在圖6小比例尺模型結(jié)果圖中，最小應(yīng)力值為0.1 MPa，最大應(yīng)力值為1.48 MPa，符合巖體重力應(yīng)力模擬的數(shù)量級(jí)。圖中可以看出主應(yīng)力的高值主要出現(xiàn)在地形變化較大的地方，應(yīng)力高值相對(duì)集中在所選區(qū)域的中部和中東部位，其中中部高值呈明顯的南北向分布。此外，還能看到應(yīng)力高值區(qū)域附近的相對(duì)應(yīng)力低值主要分布在山脊一側(cè)，這一現(xiàn)象和Sch?pa等的發(fā)現(xiàn)一致。另外，TAG丘狀體正好處在應(yīng)力低值區(qū)，且在一個(gè)小范圍內(nèi)被應(yīng)力高值包圍，這也和Sch?pa等文章中地?zé)嵋绯鳇c(diǎn)多處于最大水平應(yīng)力低值區(qū)相符合。由于MIR區(qū)是非活動(dòng)的殘留熱液區(qū)，其地形經(jīng)過(guò)后期的改造已經(jīng)不具有典型的凸起的似火山地形特征，而是處于一塊地形變化較大的山坡上。相應(yīng)的在最大水平應(yīng)力值圖中其應(yīng)力值處于應(yīng)力高值與應(yīng)力低值的交界處，且靠近應(yīng)力低值區(qū)。總的來(lái)說(shuō)，小比例尺的應(yīng)力模擬結(jié)果，再一次確認(rèn)了噴口易出現(xiàn)在最大水平應(yīng)力低值的觀點(diǎn)，也就是說(shuō)，裂隙趨向于阻力小的方向發(fā)育。這一經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論，可以為未來(lái)在較大范圍內(nèi)圈定海底熱液硫化物可能區(qū)域提供一定依據(jù)。

圖6 小比例尺模型最大水平應(yīng)力結(jié)果等值線(xiàn)圖Fig.6 The maximum horizontal stress result of the small scale model

圖7 TAG丘狀體最大水平主應(yīng)力模擬結(jié)果圖Fig.7 The maximum horizontal stress result of TAG doom model

對(duì)于大比例尺的TAG丘狀體區(qū)域的模擬結(jié)果(圖7)，我們采用最大水平應(yīng)力低值來(lái)預(yù)測(cè)丘狀體的熱液易噴發(fā)區(qū)域。在應(yīng)力結(jié)果圖中，根據(jù)鉆探資料標(biāo)出煙囪及鉆孔的位置，此外，根據(jù)Humphris[20]研究結(jié)果表明TAG-1、TAG-2、TAG-5 3個(gè)區(qū)域富含大量的硬石膏。從結(jié)合了3D地形效果的應(yīng)力結(jié)果圖中可以看出，TAG丘狀體出現(xiàn)了4個(gè)最大水平應(yīng)力低值區(qū)，這些相應(yīng)的低值區(qū)可以認(rèn)定為是熱液噴發(fā)易發(fā)生區(qū)域。首先，在TAG丘狀體頂端出現(xiàn)小范圍的低值區(qū)，此處的低值與熱液容易在地形最高點(diǎn)噴發(fā)的事實(shí)相一致，同時(shí)據(jù)已有資料顯示該區(qū)域內(nèi)有煙囪體分布，表明現(xiàn)今該區(qū)域還有熱液噴出現(xiàn)象[20]。此外，按地形從高到低往下的第二層與第三層地勢(shì)較平緩區(qū)域也分別出現(xiàn)多處低值區(qū)，且出現(xiàn)的低值區(qū)呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布并與山脊位置一致；據(jù)前人鉆探研究表明在圈定的應(yīng)力低值區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量的硬石膏等礦物，表明相應(yīng)區(qū)域曾經(jīng)可能經(jīng)歷較強(qiáng)的熱液活動(dòng)。最底層由于地勢(shì)變化小，出現(xiàn)最大主應(yīng)力為低值，這一結(jié)果與理論相符。

6 結(jié)論

本文利用海底地形數(shù)據(jù)模擬TAG熱液區(qū)自重應(yīng)力場(chǎng)，從應(yīng)力角度分析熱液噴口與地應(yīng)力關(guān)系，較簡(jiǎn)單地形預(yù)測(cè)方法能更綜合反映地形及巖性信息。小比例尺模擬結(jié)果表明，現(xiàn)今仍處于活動(dòng)狀態(tài)的火山狀TAG丘狀體對(duì)應(yīng)于最大水平主應(yīng)力局部低值區(qū)，且在丘狀體周?chē)鷧^(qū)域出現(xiàn)小范圍的應(yīng)力高值區(qū)。而對(duì)于已經(jīng)停止熱液活動(dòng)且并不具有典型的火山地形的MIR區(qū)，在應(yīng)力結(jié)果圖中依然對(duì)應(yīng)最大水平應(yīng)力低值區(qū)，和TAG丘狀體區(qū)域相比只是沒(méi)有相應(yīng)的應(yīng)力高值包圍。此外，根據(jù)局部的TAG丘狀體區(qū)域應(yīng)力模擬結(jié)果，推測(cè)了5處熱液活動(dòng)易發(fā)區(qū)域，并且與已有的鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)最大水平應(yīng)力低值區(qū)與熱液產(chǎn)物富集區(qū)存在一定關(guān)系。因此，該發(fā)現(xiàn)可以為今后進(jìn)一步縮小熱液噴口尋找范圍提供參考依據(jù)。

致謝：本研究在模型模擬及分析討論過(guò)程中得到全俄地質(zhì)與世界海洋礦產(chǎn)資源科學(xué)研究院的S.I. Petukhov研究員的寶貴建議，在此深表謝意。

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Analyzing the gravitational stress field to forecast hydrothermal field- A case study of TAG hydrothemal field

Chen Qinzhu1, Tao Chunhui2, Liao Shili2，Li Huaiming2, Deng Xianming2

(1.CollegeofLandscapeArchitectureandWaterConservancyEngineering,WenzhouVocationalCollegeofScienceandTechnology,Wenzhou325000,China；2.KeyLabofSubmarineGeosciences,SecondInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration，Hangzhou310012,China)

According to drilling data, two layer’s model is established by corresponding physical properties. Based on topographic data, here we use ANSYS software to simulate the gravitational stress field of TAG hydrothermal field. The result shows that, the hydrothermal vent locations are corresponding to the low stress area of the maximum horizontal stress. The stress of the active TAG doom area are characterized by local stress low surrounding by relative stress high, and the inactive MIR doom area without typical hydrothermal vent topography features located on unclosed area of the maximum horizontal stress low. Based on these conclusions, we predicted five places where the hydrothermal liquid probably flew out. According to drilling result, significant anhydrite was recovered in these areas, indicating that gravitational stress could be used for hydrothermal activity prediction.

topography; TAG hydrothermal area; stress field; hydrothermal activity prediction

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.005

2016-04-24；

2016-06-28。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB417305)；國(guó)際海域資源調(diào)查與開(kāi)發(fā)“十二五”重大項(xiàng)目(DY125-11-R-01, DY125-11-R-05)；國(guó)際海底管理局(ISA)捐贈(zèng)基金。

陳欽柱(1990—),男，溫州市蒼南縣人，主要從事海底硫化區(qū)域預(yù)測(cè)研究。E-mail:chenqinzhu@aliyun.com

*通信作者：陶春輝(1968—)，男，研究員，主要從事海底熱液硫化物研究。E-mail:taochunhuimail@163.com

P738.6

A

0253-4193(2017)01-0046-06

陳欽柱, 陶春輝, 廖時(shí)理, 等. 利用應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)熱液區(qū)域——以TAG區(qū)為例[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 46-51,

Chen Qinzhu, Tao Chunhui, Liao Shili, et al. Analyzing the gravitational stress field to forecast hydrothermal field- A case study of TAG hydrothermal field[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 46-51, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.005