墨西哥中部Escalera熔结凝灰岩焊接度评估：基于物理力学性质与弹性波速的联合分析

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Welding degree assessment of the Escalera Ignimbrite in Central Mexico: Insights from physical and mechanical properties

本文系统评估了墨西哥中部Escalera熔结凝灰岩的焊接度（WD），通过体密度（ρb）、总孔隙度（?t）、单轴抗压强度（UCS）、抗拉强度（σt）及弹性波速（Vp/Vs）等参数，揭示了焊接强度随地层深度的分异规律。研究创新性地将声学指标与力学性能关联，建立了双轨迹演化模型（压实主导vs.胶结主导），为火山岩成岩演化及工程地质应用提供了重要依据。

　　

Highlight

本研究的核心发现揭示了物理力学性质与焊接度之间的强关联性，凸显了沉积后过程在改变岩石特性中的关键作用。

关键经验关系 between 岩石物理性质 and 力学性能

表3将Escalera剖面置于两个成熟的焊接度评估框架（Quane and Russell, 2005; Sel?uk and Beyaz, 2021）中。这为我们的样本提供了一个标准化的背景，使我们能够解读属性变化趋势。焊接和压实作用向下持续增强：上部层段（US）样本主要落在II至III级，中部层段（MS）保持在II至III级，而下部层段（LS）则达到IV至V级，并具有更高的体密度（ρ_b）等级。如表3所示，两种方案大体一致，但侧重点不同：Quane和Russell的方案更强调纹理控制（例如浮石扁度OB和结构角度FA），而Sel?uk和Beyaz的方案则引入了P波速度（Vp）作为关键指标。我们的数据与这两种方案都吻合，但揭示了在较高焊接等级下，属性之间存在显著差异。例如，在LS中，极高的单轴抗压强度（UCS）（60-65 MPa）和抗拉强度（σ_t）（13.3-16.3 MPa）值与相对中等的孔隙度（?_t）（约16%）并存。这种不匹配现象表明，除了主要的压实和浮石变形（降低孔隙度）之外，还有次要过程在起作用，比如脱玻作用（devitrification）和蒸汽相结晶（vapor-phase crystallization），这些过程通过胶结作用增强了颗粒间的连接，从而提高了强度，但并未显著降低孔隙度。这种观察结果支持了一个双轨迹演化模型：一个轨迹由焊接主导（伴随着密度增加和孔隙度降低），另一个轨迹则由沉积后胶结作用主导（强度增加而孔隙度保持不变）。这种双重控制解释了为什么某些高度焊接的层段表现出异常高的强度，而孔隙度却没有相应降低。

Conclusions

这项工作证明，Escalera熔结凝灰岩（EI）记录了一个单一的冷却单元，该单元被划分为三个焊接域（US-MS-LS）。在这些域内，岩石物理和力学性质随深度发生系统性变化，但在经历了沉积后胶结/脱玻作用的地方会出现分异，因为这些作用增强了颗粒接触强度，却没有成比例地降低孔隙度。一个双轨迹框架（压实主导和胶结主导）解释了整个剖面中体密度（ρ_b）、总孔隙度（?_t）、P波/S波速度（Vp/Vs）、静态/动态弹性模量（E–E_d）、单轴抗压强度（UCS）和抗拉强度（σ_t）之间观察到的偏移现象。