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岩石物理学讲义岩石物理学讲义 一、内容简介一、内容简介 本课程是地球物理探测专业的一门专业课。课程目的是通过各种教学环节，使学 生正确认识和理解地球中岩石的诸多物理性质尤其是岩石的弹性性质与岩石本身特 性间的一些基本关系，熟悉基本的岩石物理概念和理论，了解获取岩石物理性质的一 些基本方法和岩石物理参数应用方面的知。为以后从事与地震勘探、资源环境和地质 灾害方面的工作和科学研究打下基础。 本课程内容主要针对油气地球物理探测领域，其中包括岩石物理学的基本概念， 基本理论知识，实验过程和技术，岩石的分类和特点、岩石的孔隙和裂隙、岩石中的 流体和流动、岩石的弹性和波的传播衰减、岩石的电学和热学性质，以及岩石特性在 地震勘探中的应用。 二、课程安排二、课程安排 第一章引言 （2 学时） 岩石物理学的概念及发展概况、研究意义和应用方向，本课程的特点和安排。 第二章地球上的岩石（2 学时） 地球上的岩石和矿物，岩石的分类和特点；油气储层岩石的特点。 第三章储层岩石的多孔特性（4 学时） 岩石的骨架、密度，孔隙、裂隙和孔洞，孔隙率、裂隙的基本概念，孔隙和裂隙 的几何形态，相关的介质模型。孔隙中的流体，流体的流动，饱和度和渗透率， 双相介质中的概念 第四章岩石的弹性（4 学时） 岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。 第五章岩石中弹性波速度和衰减 （10 学时） 岩石中的弹性波传播的基本概念，波在分界面上的反射和折射，岩石的速度各向 异性，波速和衰减的实验测试原理和技术，弹性波传播衰减的基本知识，衰减实 验测试的结果，衰减机制和理论 第六章岩石速度的影响因素（10 学时） 岩石速度的影响因素定性描述，波速与岩石物性的经验关系；孔隙、压力温度、 流体等因素的影响，速度的各向异性 第七章流体饱和岩石中波的传播（8 学时） 有效介质模型，流体置换方程，Biot 理论和实验观测 第八章 岩石的其它物理性质（6 学时） 岩石的电学性质，岩石的热学性质，核磁共振 第九章 石油地球物理中的应用（2 学时） 地震勘探中的应用，测井中的应用。 三、目录三、目录 第一章第一章 引言引言 1.1 研究岩石物理学的意义 1.2 在石油工业的研究 1.3 本课程的内容、特点和时间安排。 第二章第二章 地球上的岩石地球上的岩石 2.1 地球上的岩石和矿物， 2.1.1 矿物定义 2.1.2 岩石定义 2.1.3 岩石的尺度 微构造microstructure 均匀介质与非均质 2.2 岩石的分类 2.2.1 成岩过程三种岩石 2.2.2火成岩概念 2.2.3沉积岩概念 2.2.4变质岩概念 2.2.5岩石成岩的旋回rock cycle 2.3 岩石的特点 2.3.1 高压高温环境 2.3.2 多孔介质 2.3.3 长期作用 2.3.4 最广泛应用的材料 2.4 油气藏储层的岩石 2.4.1 油气藏储层的地质环境 沉积结构 盆地概念储层圈闭 2.4.2 沉积岩储层岩石的分类和成分 2.4.3 碳氢化合物源岩与碳氢化合物产生 2.4.4 现场条件 第三章第三章 岩石的多孔特性岩石的多孔特性 3.1 多孔岩石的骨架 岩石颗粒粒度测试 表示 形态 比面颗粒密度 岩石胶结物 3.2 岩石的孔隙和裂隙 3.3 孔隙中的流体 3.4 流体饱和度和渗透率， 3.5 毛细压力 第四章第四章 岩石的弹性岩石的弹性 4.1 应力和应变 4.2 胡克定律 岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。 4.3 波动方程 4.4 岩石的各向异性理论。 第五章岩石中弹性波速度和衰减 5.1 岩石中的弹性波 5.1.1 波的传播 5.1.2 波在分界面上的反射和折射声阻抗 5.2 岩石的速度各向异性 5.3 岩石弹性波的衰减 5.4 岩石中波速度和衰减的测试 5.2.1 声波测试系统工作原理 5.2.2 超声的产生和接收 产生和接收的一些常用方法压电式换能器换能器的性能 5.2.3 温度压力设备 第六章岩石速度的影响因素 6.1 岩石速度的影响因素定性描述 建立区域和局部的岩石特性趋势线 6.2 波速与岩石物性的经验关系 砂岩中的 P-和 S-波速度 孔隙度和孔隙形状粘土含量对速度的影响 密度和基质 岩性 温度和压力 临界孔隙率 颗粒接触与固结对速度的影响 6.3 Vp-Vs 关系 Vp/Vs比值 泊松比 6.3 孔隙流体特性的影响 孔隙流体特性 流体饱和对速度 6.5各向异性 第七章流体饱和多孔介质中波的传播 7.1空间平均（有效介质）模型 7.2流体置换Gassmann 方程 7.3Biot 理论 第八章 岩石的其它物理性质 岩石的电学性质，岩石的热学性质 第九章 石油地球物理中的应用（4 学时） 地震勘探中的应用，测井中的应用。 四、详细内容四、详细内容 岩石物理学岩石物理学 RockRock physicsphysics 第一章第一章 引言引言 岩石物理学（Rock physics）是一们涉及范围较广的边缘学科，只要与岩石本身特性和其物理 特性相关的都可以归在这们学科内。岩石的物理性质主要有力学、声学、电学等。这些物理性质在 不同的应用领域中形成的各自岩石物理学。其中在石油工业得到了广泛的应用。 在石油工业常用英文字 Petrophysics 表示岩石物理，英文字头 Petro-有“石,岩”、“含石油的”之 义，在石油工程和测井中常用此词。在石油工程用 Petrophysics 表示“油层物理学”。其内容包括油 气储层中流体的物理和化学性质、储层岩石和物理性质孔、渗、饱、多相流体物理性质和渗流机 理等。 Rock physics 在岩石力学，地震勘探中较常用。 两者没有严格的区分。 本课程岩石物理学的内容主要是从理论和实验上研究岩石（含有流体的多孔隙介质）的各种物 理性质之间关系的科学，特别是研究岩石的孔隙度、渗透率饱和度与地震波速度、电阻率、温度等 物理参数的关系。为地震勘探和测井资料处理和解释服务。 主要研究内容可归结为从理论和实验上研究 1岩石本身的各种物理性质； 2 这些性质间的相互关系； 3 它们在地球物理学和油气勘探中的作用。 1.11.1 岩石物理学的研究意义岩石物理学的研究意义 地球的结构和动力学性质必然与岩石的各种物理性质密切相关。 岩石的不同于其它材料的特性， 也就决定了岩石物理学所具有的独特的研究内容、 方法和手段。 岩石物理学研究的重点是与地质学、地球物理学、地球化学、油储地球物理学、地热学和环境 科学密切有关的特性。 岩石物理学的研究特点，反映了这门学科的基础性和应用性。 岩石物理学的特点 岩石物理学是一门高度交叉的综合性学科，包含了地质学、地球物理学、物理学声、电、磁、 核等 ，声学、测井、岩芯分析、石油工程、地球化学、化工及力学工程和实验测试技术等学科。 针对不同研究领域，岩石物理的研究内容不同，如 能源勘探如石油工业，以岩石的弹性为主； 地质灾害地震，以岩石的力学性质 环境保护与监测，以流体的流动 其中石油工业是主要的研究力量，在一些大学开展这方面的研究，同时几乎所有的大石油公司 都在进行同样的研究。 必须强调 第一，岩石物理学是研究岩石这种特殊的材料，在地球内部特殊环境下的各种行为及其物理性 质的。从岩石本身的特点可以看出。 第二，在岩石的各种性质中，研究的重点是那些与地球内部构造与运动、能源和资源的勘察与 开发、地质灾害的成因与减灾、环境保护与监测有密切关系的特性。 第三，针对油储问题开展的岩石物理性质的研究，是岩石物理学研究中较成功的应用领域。针对油储问题开展的岩石物理性质的研究，是岩石物理学研究中较成功的应用领域。 第四，国内在这方面的研究较为薄弱。国内在这方面的研究较为薄弱。 由于岩石物理学致力于从实验和理论上研究岩石的物理性质、这些性质间的相互关系以及它们 在地球物理和岩石物理数据中的反映。它研究基础是各种测试技术特别是以测井技术和实验室的 测试结果为主。 在实验室利用各种物理测试手段，测试岩石的各种物理量，获得岩石性质与物理参数之间的关 系。 理论上，提出岩石中各种物理性质之间一般关系理论模型。两个方面 1 针对岩石特性在假设条件下提出简化模型； 2 解释实验观测到的现象和结果。 地球物理中的测量技术主要有四方面 1、空间观测航磁，红外遥感，航空放射性测量，卫星拍照等，用于确定大地构造，确定地表 形态。 2、地面观测地质观测、地球物理方法天然地震，人工地震，各种重、磁、电等方法，用于 确定有利的地质构造,寻找油气分布等。 地质观测成矿的地质条件、通过观察出露在地表面的地层、岩石进行搜集和综合分析。 地球物理方法根据地下岩石或矿体的物理性质差异所引起在地表的某些物理现象（表现为异 常的现象）的变化去判断地质构造或发现矿体。以人工地震方法为主。 地球化学方法对岩石、土壤、地下水、地表水、植物、水系以及湖底沉积物等天然产物中一 种或几种化学特征作测定。 3、井中观测直接得到地下的各种地质资料，可以确定地下构造特点和矿物特征，确定油气位 置，划分油水层。 。方法有电缆测井、VSP 和井间地震、随钻测量、取芯。 4、实验室观测岩芯分析，岩芯各种物理量测试，模拟地层测试等。 岩石物理学中所涉及的研究方法 正问题通过已知矿物、岩石本身的性质和变化，研究其物理性质在岩体中可能有的变化，这 是一个由微观到宏观的推演过程，通常称为正演。 反问题已知地质、岩体的物理性质，如何反过来推演岩石和矿物的性质，这是一个由宏观到 微观，由整体到局部的反演。 应用问题进一步，如何人为地改变矿物、岩石的特性，从而影响到岩体和地质特性的改变， 这在岩石物理学中具有的重要的潜在应用价值。 研究基础是各种测试技术特别是以实验室的测试和测井技术测试为主。 在实验室利用各种物理测试手段，测试岩石的各种物理量，获得岩石性质与物理参数之间的关 系。 理论上，提出岩石中各种物理性质之间一般关系理论模型。两个方面 1 针对岩石特性在假设条件下提出简化模型； 2 解释实验观测到的现象和结果。 实验室具体研究方法实验室具体研究方法 首先，采集各种有地质意义的岩石，在实验室中分别研究各种因素对其物理性质的影响，将大 量的实验结果统计归纳得到经验关系式。 在建立合理而简化的数学物理模型的基础上，将由实验得到的经验关系外推到实际地球问题中 去。 注意若没有合适的模型，把实验室简单地、小尺度实验得到的外推到大尺度的自然界，常常 会出现错误的结论。 其次，岩石物理学是一门高度跨学科的学科分支，这就决定了在岩石物理学中，对于所研究的 岩石的不同物理性质，必然要用到上述相应的学科中对应的物理方法和手段。 1.21.2 岩石物理学在石油工业的应用岩石物理学在石油工业的应用 在储层勘探和开发中，为了减少涉及经济因素上的冒险，面临的挑战就是如何控制一些不确定 因素来圈定储层。这就涉及二大问题 1多学科地质、地球化学、地球物理学、工程技术和岩石物理学 2储层的尺度从盆地到储层，到断块，岩芯，矿物颗粒和孔隙；从地震，井间地震，到测 井， 岩石物理学是储层描述中的一个重要工具 ，因为大多数进行储层描述的技术都是基于岩石的 物理性质。 岩石可测量的物理性质（诸如地震速度）能够反映地下岩石和储层的有用信息。 岩石物理学具有可解释性，岩石物理是一门用来研究岩石物理参数和一些相关性质学科，其测 量数据可以被解释。 因此，它不仅仅是储层描述的工具，也为所有的地学家提供了物理基础。起到一个桥梁作用。 目前，在石油工业的主要服务对象是储层描述和采收率监测，岩石物理学主要服务有地震和 测井解释、储量估算、提高采收率。 对储层岩石物理特性的完全描述，意味着要确定各个储层、定义有关解释算法的所需岩石物理 参数。对于地学家来说这是一个新的方向。储层描述技术的发展是石油工业中从勘探到开发的一个 实质性的转变结果。人们估计（mark,1995）地震监测在接下来的几年中会增长到每年二十亿美元。 研究对象 沉积岩是烃原岩中的一个主要的岩类。研究沉积岩的性质是岩石物理中的一个主要目标。 沉积岩是由复杂地历史条件下的（物理、化学）多孔性材料生成的。几十种参数诸如矿物成分、 孔隙度、密度、颗粒大小和形状、颗粒的连接和胶结程度等被用来描述岩石的性质。然而，我们 在定量的测量和处理一些与孔隙结构有关的（诸如孔隙的几何性质，颗粒的连接性和胶结程度）重 要的岩石参数方面仍然有一定的困难。 石油行业中岩石物理几个主要特点石油行业中岩石物理几个主要特点 1 1 1 1、岩石物理是一门多学科的科学、岩石物理是一门多学科的科学 为了预测岩石参数，必须尽可能的研究岩石属性的不同方面。涉及到储层特征及采收率监测以 下方面 1声波性质 2电学性质 3水利属性 4机械属性 5岩相属性 6孔隙流体属性 其中主要集中在储层岩石和流体的声波方面的属性。 2 2 2 2、实验方法促使新知识的产生、实验方法促使新知识的产生 一些理论模型用来模拟多孔岩石的一些特殊的物理属性及一些参数性质。这些模型建立了一个 物理概念理想的多孔介质是怎样来影响物理属性的。然而，和实际的岩石相比，这些模型却过于 简单。大多数的模型能够用一种或更多种任意的参数来预测岩石属性，但是不能够用来实现实际岩 石的预测。人们做了许多努力（Schwartz,1984）来建立多孔岩石模型（Barryman,1994） ，但是成果 却十分有限。理论模型在地学科学方面的应用还处在一个有限的水平上。 尽管许多经验关系的确定都基于测量所得的数据。当面对一个新的勘探区域如边缘盆地时， 如果没有该地区的核心数据， 没有人能预测出其岩石物性。 为了了解岩石， 你必须检验和测试它们。 不同盆地，或是不同构成，又或是不同地形外貌的岩石可能完全不相同。在了解它们的特性之前， 你必须测试它们。 3 3 3 3、实验室研究的意义、实验室研究的意义 为了确定岩石物性和物理参数的关系，实验室就进行了相应的研究。 只有通过对岩石样品的实验研究才能提供一些相关的制约因素和最高质量的数据。 基于实验数据，速度和岩石参数之间的物理关系才能确定。这些关系可能延伸到一个比较大的 范围，甚至无法测定。 许多测定的数据， 比如， 记录， 井间数据，VSP 地震数据由于缺少参数控制而显得不十分可靠。 所以这些测量方法的标准和解释必须依靠于实验室核心方法和岩石物理学知识。 4、岩石物理学的能力综合岩石物理学的能力综合 实验数据和从数据中得到的知识必须与大比例尺度的测量方法相结合起来。 岩石物理的研究，不仅仅是采用正确的方法并得到典型性的数据，而在于寻找岩石特性与 岩石参数之间物理方面的相关性。 这些物理方面的相关性可以为从大量的含有噪声数据确定最终要的参数提供更加有力的方 法。这样，第二参数就可以忽略。 测量数据的解释就可以走向具有可以理解的不确定性的正确轨道。在确定测量特性之后认 知岩石参数是岩石物理学的作用。 5、储层技术的发源地储层技术的发源地 岩石物理研究课题的许多成果已经反映到地震储层技术的发展上。 1 亮点技术的发展是基于在实验室观测到的事实。含气饱和岩石相对于盐水饱和岩石具有更 低的速度。 2 速度各项异性的实验研究，裂缝储层的地震探测也得到了发展。 3 基于实验研究的热强化采油监测技术。 4还有AVO，DHI 技术，储层技术和监测技术的发展都与岩石物理学研究相关。 54D 地震油藏监测，和反射系数随入射角变化的分析等油气直接检测技术。 可以清楚地看到，岩石物理学研究是储层技术的发源地。 6 6 6 6、研究方式、研究方式 地震特性受到许多因素的复杂影响，诸如压力、温度、饱和度、流体类型、孔隙度、孔隙类型 等等，这些因素常常是内在关联的，当一个因素变化时许多因素也同时变化。这些变化对地震数据 产生正面或负面的影响。因此，在将岩石物理信息应用于地震解释中时，必不可少地要进行单一参 数变化（其它固定不变）影响的研究。 一方面地球物理具有在远离钻孔的条件下确定岩石弹性性 质的能力，另一方面探储工程师还要求在远离钻孔条件下辨别岩石物理特征，为改进对储集层的描 绘和定性，人们正迅速地推动地球物理、石油物理和储集层数据的综台研究。在促进这种综合研究 的过程中，岩石物理学的任务是找到地理物理参数和岩石性质之间的关系。 岩石物理问题学家的哲学思想岩石物理问题学家的哲学思想 许多影响岩石特性的因素无法定量化。比如，声学速度受大量的无法测定的参数影响。为了研 究一个岩石物理问题，接下来的哲学道理有助于地球科学家 1、承认没有绝对精确的解决方案。 2、相信岩石特性是有原因的受到岩石参数的控制，并且这些物理相关性是可以认知的。 3、相信自然界给了我们一个暂停，在特定条件下，岩石特性与岩石参数之间的关系是可以简 化的。 4、能够接受具有可理解的不确定性的并不完善的解决方案。并理解统计趋势，高峰和低谷都 不利于处理这些不确定性。 按测试方法和手段分，岩石物理学的研究主要分为实验室测试和井中测试两个方面。 实验室测量与井中的测量存在尺度上的差别。 这两种方法起到互补的作用。 两种方法除尺度上有差别外，在测试类型、规模、 信噪比和结果 的可靠性方面也存在差异。 地震勘探方面地震勘探方面 1岩石、流体等性质对弹性波传播的影响； 2岩石导电率及电磁波在岩石中传播的影响； 3裂缝对岩石弹性及流体输送的影响。 油气开发油气开发 石油物理和石油工程石油物理和石油工程 方面方面 1岩石、流体等性质对油气运移的影响； 2地震方法监测和提高石油采收率中的岩石物理 在测井方面的研究在测井方面的研究 岩石电学 1低电阻率储层的物性参数； 2复杂储层的岩电关系； 3岩石的电化学特性； 4岩石的复电阻率； 5岩石的电频散问题 核磁共振 岩石物理研究和应用的意义 1在传统的地震勘探中,由于对各地区岩石物性（尤其是储层岩石的物性）缺乏较系统地研究, 使得地震资料的处理和解释侧重于构造圈闭形态及岩性的定性解释。大大限制了地震资料的精细处 理和应用范围。 2在一些地质条件较复杂的勘探区,仅靠地震资料进行解释难以得到较满意的结果,其原因除对 已获取的地震数据进行解释所使用的数学模型有缺陷外,如何获取勘探区内储层岩石物性参数,进行 合理的研究并应用于地震资料解释中也是一个重要因素。 3在开采过程中，地层压力对孔隙度、渗透率的影响以及孔隙、裂隙对油气的运移、注水或注 气的影响需要有定量的物理解释。 4目前地震和测井解释中所使用的物性参数和一些数学模型都是常规的或教课书上的经典公 式,或是其它地区得到的经验公式, 缺少实际地区和储层条件下岩石物性参数,因而出现较大的偏差。 一些原有理论和经验公式已不适合,有必要通过实验室的结果对原有理论和经验公式进行修正。 5实验室对岩石物性研究的结果一方面可用于地震勘探、开发地震、测井资料的解释,另一方 面可把从地震和测井资料中得到的参数结合起来,建立新的岩石物理模型,为地震和测井资料解释服 务,使解释精度大大提高。 在岩石物理学的地震应用中，我们曾经经常地寻求诸如“如果储层压力增加，Vp会发生什么 方式的变化这种变化有多大”等等经验准则。因为岩石是那么复杂，同时微观上是非均质的， 一般意义上讲只有用这些经验准则去工作。 1.3 本课程的学习内容、目的和时间安排。 学习目的 学习内容 时间安排 第二章第二章 地球上的岩石地球上的岩石 本章目的 人类生活在地球上，岩石始终具有重要的意义。 在古代，人类的进化。 在现代，岩石仍是农田、水利、建筑、交通、化工、矿业等经济部门施工对象和开采利用的重 要资源。 本章的主要内容 什么是岩石地壳上最主要的岩石是什么 岩石有哪些特殊的性质油气资源中岩石的特点， 等。 2.12.1 岩石和矿物岩石和矿物 地球及其以外的物质可以分为固体圈、水圈和大气圈三个圈层结构。 在地球的总质量中，大气圈的质量不到 1，水圈仅占千分之一左右，固体圈的质量占 99％以 上。 地球的固体圈是由地核、地幔和地壳组成的，其中岩石和矿物是构成固体圈的最主要的物质。 1.矿物 矿物是天然产出的，通常由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列（结构）的 均匀固体。 现代的矿物概念，需有三个条件 1 矿物必须是天然产出的物体，从而和人工制备的产物相区别。 2 矿物必须是均匀的固体。具有确定的或在一定范围内变化的化学成分和分子结构。 3 矿物一般是由无机作用形成的。像煤和石油都是有机作用的产物，且无一定的化学成分，故 均非矿物。 组成矿物的元素 其原子多是按一定的方式在三维空间内周期性重复排列而形成的具有特定结构的晶体。在外界 条件合适时，晶体可以得到正常的发育，生长为规则的几何多面体；但很多情况下，没有足够良好 的条件形成这样规则的外貌， 矿物的均匀性， 则表现在不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质，这正是矿物与岩石的根本差 别。矿物千姿百态，但多表现为颗粒状grain，其大小悬殊，小的要借助于显微镜辨认，大的颗粒 直径可达几厘米，仅凭肉眼即可看见。由此可见，矿物在地质上是建造地球的非常小的材料单元材料单元。 地球上已知的矿物有 3300 多种。岩石中常见的矿物只有 20 几种，其中又以长石、石英、辉石、 闪石、云母、橄榄石、方解石、磁铁矿和黏土矿物为多。 2 2 2 2．岩石．岩石 岩石是由一种或几种造岩矿物按一定方式结合而成的矿物的天然集合体天然集合体 。 岩石是在地球发展到一定阶段时，经各种地质作用形成的坚硬产物，它是构成地壳和地幔的主 要物质。 作为天然物体，岩石具有自己特定的比重、孔隙度、抗压强度等许多物理性质。正如矿物由原 子组成，但矿物可显示出个别原子不具备的性质一样. 岩石虽由矿物组成，但岩石所表现出来的特性，却常常是不能用单独的一种或几种矿物的特性 加以替代或描述的。 3 3．岩石的尺度．岩石的尺度 岩石作为矿物的天然集合体，其性质既与组成矿物的性质和各种矿物所占的比例有关，也与这 些矿物在岩石中的几何表现、分布状况、胶结情况以及矿物颗粒之间的孔隙度及孔隙流体有关。 描述岩石的矿物颗粒的几何表现、分布状况、胶结情况等关系，涉及到岩石的微构造 microstructure 。 矿物颗粒的排列，矿物成分的变化，矿物颗粒的形状和大小，孔隙的数目以及破裂程度等造成 了岩石微构造的不均匀和无序性。 由此可以得到一个直接的推论岩石的物理性质是与进行测量的尺度尺度scale有关。在研究地 球的岩石时存在着不同的尺度。 第一种是矿物颗粒grain的尺度，亦称矿物尺度micro-scale研究各个矿物的性质，矿物 与矿特之间相互的接触几何等 第二种是研究由多个矿特组成的岩石尺度，常称为岩石尺度macroscale在这种尺度下， 矿物的性质被平均掉了，取而代之的是岩石的性质； 第三种尺度更大，包括了完整的岩石，也包括了多种岩石的组合，如岩石中的节理、等间断面， 这种称为岩体megascale的尺度，岩休性质取决于岩石的组成和各种间断面的控制； 最后一种尺度是地质尺度gigascale，它是各级尺度性质的高度且复杂的综合。地质现象 是由矿物、岩石、岩体和构造运动的总体所决定的。 当研究尺度远远大于特征尺度时，岩石可以近似地看成是均匀的，岩石具有了下限尺度下限尺度。。矿物 颗粒的大小提供了一种特征尺度这种均匀是体积平均意义上的物理性质均匀。整体、统计上的稳 定性。在研究能源、资源、环境等地球基本过程问题时，所遇到的尺度都符合这个最低下限的要求。 特别注意的是研究的对象是岩石，而不是矿物和组成矿物的元素。 在地球运动中，整块的岩石不可避免地会发生破裂，其中会出现许多断层、解理和劈理等间断 面，这些大小不一的间断面和岩石就构成了岩体rock mass。 岩体是在内部的联结力较弱的层理、 片理、节理和断层等切割下形成的，明显的不连续性是岩体的重要特点。岩体性质无论是力学、 电学还是其他性质在很大程度上都要受到间断面的影响，例如岩体强度远远低于岩石强度，岩体 变形远远大于岩石变形，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性等。岩体中间断面的存在，提供了岩 石测量的上限尺度。 对岩石的下限尺度和上限尺度的正确理解，是区分矿物、岩石和岩体的基础概念。在研究岩石 的物理学性质，在应用岩石物理学性质解决实际问题时，这种尺度概念是十分重要的。 多孔隙介质的各种性质与尺度有关 尺度问题是各种物理实验中一个重要的问题，尤其在地球物理的实验中。不同尺度范围研究岩 石的性质有着不同的意义。实验的一些测试结果是否能使用于实际，首先要考虑的就是尺度的适应 性和相似性。 4、极小均匀化体积 考虑岩石颗粒直径为 d 的二维孔隙空间，见图。随机将具有不断扩大面积的同心圆嵌入如图的 多孔隙介质内，可将孔隙率的变化作为圆的直径函数来测量。图中最内圆将孔隙包含，孔隙率为 1， 圆的直径扩大到 2d－3d 时达到了介质孔隙的平均值。以这种方式可统计孔隙变量均匀化所要求的 极小面积 图 均匀介质与非均质 均匀介质在特定的尺度范围，岩石参数和性质有与尺度无关的相似特征。 非均质岩石参数和性质与尺度有关 各向异性与非均质 各向异性和非均质性是密切相关的。清楚的区分他们之间的不同是有用的。 物理上认为，在某种程度上没有任何固体是均质的，因此随方向性质是否变化能区分一个固体 是各向异性还是仅是非均匀的是一种尺度的功能。对物理学家来说这相关的尺度是变化的，但是与 所用的波长相关联。对于地震波，尺寸或许是几十米；对于测井是分米；而对于实验室测量为毫米。 在不同尺度上，即使在同一个固体内，它的各向异性程度和类型完全不同是可能的。 2.2 岩石的分类 我们可以按照岩石包含的矿物种类，各种矿物的比例，矿物的空间分布等，对不同的岩石进行 分类。也可以针对一种或两种岩石的具体性质进行分类。例如，可以把矿物颗粒和孔隙度大小作为 岩石分类的依据，但这种分类有较大的任意性，本书仍将采用目前最通用的按照岩石的形成过程分 类的方法，即按照不同的成岩过程对岩石进行地质学上的分类。 2.2.1 成岩过程三种岩石 2.2.2火成岩概念 2.2.3沉积岩概念 2.2.4变质岩概念 2.2.5 成岩旋回rock cycle 2.3 岩石的特点 岩石，作为一种特殊材料，和材料科学中研究的一般材料有很大的不同。这些不同表现在以下 方面 2.3.1 高压高温环境 图 2.8 给出了地球内部压力和温度随地球半径的分布。地壳是地球最外面的一个壳层，平均厚 度在大陆上为 35 km，海洋里为几公里。地壳底部的压力约为 1 GPa，温度约为 600℃，地球半径为 6371 km。从这些数据不难算出地球内部地壳以下 99％的物质都处于 l GPa1 万个大气压和 600℃ 以上的高压高温状态。在这种高压高温环境下，岩石表现出了许多特殊的性质。这种高压高温下岩 石的性质是岩石物理学研究的重要内容。 图 2.8 地球内部压力和温度随地球半径的分布．从图中可以看出，地壳以下的地球 内部 99的岩石都处在 1 GPa 和 600℃以上的高压高温状态据 wyllle，1992 地应力 岩石所受的力一般用地应力表示，应力是单位面积上受的作用力。地应力的形成主要与地球中 的各种动力运动过程有关。板块边界受压，地幔热对流，地球内应力，地心引力，地球旋转，岩浆 侵入和地壳的非均质扩容等。主要包括 （1）大陆板块边界受压引起应力场； （2）地幔热对流引起的应力场； （3）地心引力引起应力场； （4）岩浆侵入引起应力场； （5）地温梯度引起应力场； （6）地表剥蚀产生的应力场。 处理地质问题时，常用的应力符号有以下几种 σV垂直方向的主应力，主要是重力作用；σHmax水平方向最大主应力，σHmin水平方向的最小 主应力，主要是构造运动引起的应力。重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因。瑞典科学家 Hast 发明了测试地应力的仪器和方法，测得了财、大事绝对地应力的大小和方向，他发现存在于地 壳上部岩石中的水平应力大多呈现水平状或近似水平状，且水平应力值高于垂直应力值。 地应力的分布主要有以下规律 （1）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三个不等压的应力场，三个主应力的大小和方向是 随时间和空间而变化，它是一个非稳定的应力场。 （2） 实测的垂直应力基本等于上覆岩层的重量。 在世界上多数地区并不存在真正的垂直应力场， 即没有一个主应力的方向完全与地面垂直，但存在一个主应力，方向接近于垂直方向。 （3）水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力在多数情况下是最小主应力，只有在个别情况下 是最大主应力，水平方向上的构造运动如板块运动等，对地壳浅层的地应力起控制作用。 （4）最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系，在某些地区存在显著的水平应 力。 （5）最大水平主应力与最小水平主应力的值一般相差较大，显示出较强的方向性。 地应力的分布规律受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩石力学性质以及温度、地下 水等因素的影响，其中以地形和断层的影响最大。 岩石自重引起的应力场为 σVρgh σHσxσy υ υ −1 ρgh 其中ρ是岩石的密度，g 是重力加速度，h 是深度，ν是岩石的泊松比。这种应力叫做自重应力 场。 应力单位 应力压力的单位是 Pascal 简称 Pa，它表示每平方米所承受的压力压力以牛[顿]为单 l 位。由于 Pa 的单位取值很小，故经常用 GPa 和 Mpa 1Gpa109Pa 1Mpa106Pa 其它单位的表示 为了对应力单位有个定性的概念，这里介绍地球内部的流体静压力。所谓流体静压力，就是假 定整个地球是一个流体球。由地球总的质量、转动惯量和自由振动周期，以及地震波的走时，可以 反演得到地球内部的密度分布。再通过计算可以得到地球内部流体静压力随深度的分布表 2 2。 岩石在应力的作用下会发生形变，形变的与应力的大小有关。其应力和应变的关系为岩石的最 简单的本构关系。 图 2.13 给出了岩石典型的单向应力压缩下应力应变曲线。这条曲线给出了大多数岩石的本 构关系，是岩石力学研究中非常重要的一条曲线。这条本构曲线大致可以分成 5 个阶段 OA 段应力应变曲线呈向上的弯曲，表明随应力的增加，应变增长速度减慢，仿佛岩石随 应力增加作功而变硬，所 OA 段也被称为“作功硬化”阶段。从微观机制来看，OA 段的弯曲是由 于天然岩石中存在的许多微裂纹在应力作用下闭合而造成的。 AB 段线弹性阶段，AB 的斜率即岩石的有效杨氏模量由岩石固态物质的弹性常数和包含 的孔隙情况所确定。 BC 段应力应变曲线又一次偏离直线，这时岩石的非弹性变形开始明显出现，非弹性体积应 变增加，即出现岩石的膨胀dilatancy现象。随应力增加，应变增长速率亦加快，仿佛岩石变软了 似的，所以 BC 段也称为应变“软化阶段” 。 OA，AB，BC 三个阶段中包含的研究课题有岩石在流体静水压下性质的变化；孔隙弹性力 学以及在差应力作用下岩石的膨胀现象等。 C 点表示岩石在一定条件下所能承受的最大载荷，它是应力应变曲线的极大值，对应 的峰值应力叫做岩石的强度或破坏应力，一旦岩石受力达到了其强度，岩石就会发生宏观的破坏， 因此，应力应变曲线可以由 C 点分成两部分，C 点以前叫做破坏前区域也叫做峰值应以前区域， C 点后叫做破坏后区域也叫做峰值应力以后区域。 CD 段在岩石力学实验中，能够得到岩石破坏后的应力应变或广泛地说，得到受力变 形曲线，不过是近十余年的事情。在用普通压机对岩石样品加载时，一旦达到岩石的强度C 点， 样品承载能力下降，应变加速，贮存在压机中的弹性能大部分释放了出来，结果造成在 C 点岩样发 生猛烈的破坏，实验只能得到岩石破坏前的曲线。70 年代，人们认识到压机刚性所起的关键作用， Cook 和 Wawersick 等Cook，1965；Wawersick，1970提出的可控破裂概念以及电液闭环伺服控制 压机的出现，才使获得岩石破坏后的曲线 CD 段成为可能。CD 段主要研究的问题是岩石破坏的 稳定性问题；岩样变形的局部化问题等。CD 段的研究与地质工程中的破坏的发生、地震过程有着 非常密切的关系。 DE 段岩石的宏观破裂已经完成，断裂面已经形成，岩石的应力应变曲线所表示的，是 沿断裂面两侧岩石的摩擦滑动，涉及这方面的研究课题有摩擦滑动的条件以及滑动的方式稳 定滑动和粘滑stickslip等，这部分内容与地震和其他的岩体中的失稳过程有密切联系。 图 2 1 3 岩石典型的单向应力压缩下应力应变关系 孔隙介质内的有效压力 在岩石中总是存在两种不同的压力上覆岩层压力和岩石孔隙内的压力。上覆岩层压力（Po） 也称为围岩压力，是整个上覆岩石地层所施加的压力；而储层压力（Pp）也称为流体压力或孔隙压 力，是流体质量所施加的力。上覆岩层压力和储层压力之差称为上覆岩层净压力（Pd） ，也称为差 压力或有时称为有效压力（Pe） 。严格地说Pe≠Pd。事实上Pd PoPp，而Pe PonPp，式中 n ≤ 1。控制储层岩石地震特性的是上覆岩层净压力。这是因为孔隙流体压力抵消了一部分上覆岩层 的压力，进而减少了整个岩石地层所支撑的负载。 2.3.2 岩石的多孔 岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。图 1.9 给出 了砂岩的扫描电子显微镜照片，我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒 之间存在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流 体组成的多相体。孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例如，岩石中孔隙体积增加 1，会导致岩石弹性参数变化 10 倍或者更多，也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化见以后 的几个章节。 岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。这种存在与人类生 活密切相关，例如地下水的形成，深埋地下核废料的扩散，环境污染和保护等问题都与孔隙流体的 运移有关。 岩石的多孔性和孔隙流体的输运性，也是岩石物理学研究的重要内容。 图 1.9 图 l.9 砂岩的扫描电于显微镜SEM照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗粒黑色，也可 以看到它们之间的孔隙。砂岩孔隙体积可占岩石体积的 6。这些孔隙相互连通，形成了孔隙流体 流动的通道 2.3.3 长期作用 岩石在短时间外力的作用下，表现为完全弹性体，但在长时间力的作用下可以与地质年代相 比较，则表现出非完全弹性。例如地壳受到长时间的挤压后，发生韧性形变，可以产生褶皱，当 一个大规模的区域受到侵蚀时，易侵蚀的低洼部分形成谷，抗侵蚀的地层形成山脊。当然，这仅仅 是形成复杂地貌的途径之一。接近地表的岩石由于温度低，压力不大，在外力作用时间不太长的情 况下，岩石可作为弹性体看待，表现出脆性的性质；随着深度的增加，岩石所处的温度和压力增高， 承受形变的能力大大增加，介质就从脆性转变为延性或称为韧性，若外力作用的时间很长，如造 山运动、地幔对流等，岩石可以像黏性流体那样产生形变。 在漫长的地质年代里，岩石在外力的作用下不断地发生变形，其受力作用时间之长、变形过程 之久，是其他材料学科研究中难以遇到的。人们难以想到在长期的内力和外力作用下，印象中既硬 又脆的岩石竟会发生塑性变形。我们在野外经常可以看到原先形成的水平沉积地层发生了褶皱，地 层严重地弯曲，有的翻转了 180或者更大的角度。实验室中同样也可以看到矿物巨大的塑性形变。 岩石在长期作用下可表现出许多与时间有关的特性，例如岩石