岩石物理学?岩石物理学是一门自然科学,专门研究岩石的各种物理性质和其产生机制;隶属于地球物理学。岩石物理学既是物理学的一个独立分支,又是地球物理学的一个重要组成部分。它是联系地球物理学,岩石学,水文地质学,工程地质学,岩土力学等学科的纽带和桥梁。岩石物理学是一门综合性的边缘学科。那么,岩石物理学?一起来了解一下吧。
实验是岩石物理的基本研究方法。
主要步骤
采样——制样——测试——分析——结论与认识。
主要测量方法和物理性质测量方法:地核法、力法、震热法等。岩石物理性质:磁化率、磁导率、密度、电阻(导)率、介电常数、波速、衰减、各向异性、热导率、比热、热扩散系数、放射性等。
密度(density),容重 (weight density)
单位体积岩石的重量 kN/m3水:9.8kN/m3
比重:岩石的密度和水的密度的比值。
岩石比重平均为2.7
代表性结果。
渗透性(permeability)
岩石渗透性对许多岩石工程有决定性意义,如对大坝、水库、地下隧道(临水、高地下水地区等)、石油、核废料储存、瓦斯突出等。
渗透性与岩石孔隙度、岩石中的裂隙和应力水平有很大关系。
达西定律(Darcy’s law):
:在x方向的流量速率;( )
:流体压力, =( )
:流体容重 (kN/m3)
:流体(渗透体)柱高度 (m)
:流体的粘度;( )
对于水,20℃时, =1.005×10-3 ; =9.80 kN/m3。
:垂直于 方向的横截面积;( )
:渗透系数,与流体(渗透体)的性质无关,与岩石性质有关,单位为面积( )
达西定律的另一种形式(渗透体为20℃的水)
:渗透体高度(水头高度),单位:m
:渗透系数,单位为速度(cm/s)
代表性 系数值 附表3
和 互换:
渗透性单位:1darcy=9.87×10-9cm2 ( )
1Darcy=10-3cm/s ( )
2.1.4 声波速度(在岩石中的传播速度)(Sonic Velocity in Rock )
用于了解岩石中的裂隙程度
:岩石没有孔隙纵波速度
: 成份在岩石中的比例
各种矿物成份的纵波速度
在关于岩石物理学的研究方法的讨论中已经提到,由于影响岩石物理性质的因素多且相互之间的关系复杂,所以在进行岩石物理学理论研究时要把实际的岩石模型化,只保留影响岩石物理性质的主要因素,而忽略次要因素。常用的岩石物理学模型有(图2-8-1):①层状介质模型;②分散状介质模型;③离散颗粒堆积介质模型;④网状介质模型;⑤连续介质模型。
图2-8-1 岩石物理学模型
1.层状介质模型
层状介质模型是最简单的一种岩石物理模型。其基本思想是根据所考虑岩石的矿物组成将结构杂乱无章的岩石等效为水平层的集合。每一层相当于一种矿物成分,每层的厚度则根据矿物的体积分数来决定。整个层状介质的岩石物理参数一般按有关的物理定律由单层的岩石物理性质经过相对于体积分数的加权算术平均或加权对数平均得到。
层状介质模型具有简单、直观、容易进行数学处理等优点,尤其是对于岩石物理参数各向异性的描述,更是占有不可替代的地位。但是,在自然界中,除了具有平行裂缝的岩石和大部分变质岩以外,具有层状结构的岩石比较少见。
2.分散状介质模型
分散状介质模型假设岩石中存在有一种基本的物质,而其他物质以分散的形式分布在这种基本物质之中。这种分散性的分布既可以是确定性的,又可以是随机的。
岩石的各项物理力学性质之间有何内在联系如下:
主要的岩石力学性质的刚性、柔性、弹性、塑性、脆性、韧性以及强度等的定义如下。刚性和柔性指的岩石在力的作用下是否出现变形的性质,否则刚性,是则柔性。弹性和塑性指的是岩石在力的作用下是否出现可恢复的变形的性质,否则塑性,是则弹性。
脆性和韧性指的岩石在力的作用下是出现破裂的变形还是流动而不破裂的变形的性质,前者是脆性,后者是韧性。强度指岩石在力的作用下出现屈服或破裂时承受的最大应力。岩石处于地下深处,承受着周围岩体对它施加的围压作用、地下热量对其的加热作用、地下流体对其的物理和化学作用以及时间因素的作用等。所有这些因素在很大程度上可改变岩石的力学表现。
1.围压因素
岩石所处深度越大,围压也越大,这种压力,一方面增强了岩石的韧性;另一方面,大大提高了岩石的强度极限,弹性极限也有所增高。
图3-44为石灰岩在常温时从0.1MPa到约400MPa的围压下进行实验而得出的应力-应变曲线。当围压为0.1MPa,施加压应力到280MPa时,石灰岩表现为弹性,超过此值岩石就破裂。当围压增大到100MPa以上,石灰岩受到400MPa左右的压应力时,开始显示塑性变形。
岩石电学中的基本物理量是电场强度矢量E、电极化强度矢量P和传导电流密度矢量j。其中,电场强度矢量描述单位点电荷在电场中所受到的力;极化强度矢量代表单位体积内的电偶极矩;传导电流密度矢量定义为单位体积内的传导电流强度。在各向同性介质中,电场强度和电流密度矢量之间满足微观欧姆定律(或微分欧姆定律):
j=σE (5-1-1)
式中:σ为媒质的电导率,在数值上等于电阻率ρ的倒数,即σ=1/ρ。
在各向异性介质中,电导率变为二阶张量。因此,在各向异性介质中
岩石物理学基础
与电流密度矢量和电场强度矢量之间的关系类似,在各向同性介质中电极化强度矢量和电场强度矢量之间的关系为
P=ε0χ(e)E (5-1-3)
式中:ε0为真空中的介电常数,其数值为8.854×10-12F/m;χ(e)为电极化系数。在各向异性条件下,电极化系数变为一个二阶张量。从而
岩石物理学基础
在电介质中,虽然传导电流无法通过,但随时间变化的电场却能在其内产生交变电流。为了描述这种现象,麦克斯韦(Maxwell)通过电场强度矢量E和电极化强度矢量P引入了电通量密度矢量D,即
D=ε0E+P=(1+χ(e))ε0E=ε0εrE (5-1-5)
式中:εr=1+χ(e)为相对介电常数。
以上就是岩石物理学的全部内容,常用的岩石物理学模型有(图2-8-1):①层状介质模型;②分散状介质模型;③离散颗粒堆积介质模型;④网状介质模型;⑤连续介质模型。图2-8-1 岩石物理学模型 1.层状介质模型 层状介质模型是最简单的一种岩石物理模型。其基本思想是根据所考虑岩石的矿物组成将结构杂乱无章的岩石等效为水平层的集合。