岩石物理学1（岩石）课件

《岩石物理学》授课人：黄文新地球物理与石油资源学院长江大学联系方式：E-mail：huangwx@

nmrwxh@tel:8060418(o)137072191817/31/20231地球物理与石油资源学院《岩石物理学》授课人：黄文新联系方式：E-mail：hu《岩石物理学》课程教材：陈颙、黄庭芳主编《岩石物理学》北京大学出版社2001、9主要参考书：J、E怀特著《地下的声音---地震波的应用》地震出版社1986、12楚泽涵主编《声波测井原理》石油工业出版社1986、5LAWRENCEE.KINSLER著《FUNDAMENTALSOFACOUSTIC》1982总学时：48学时，必修课，闭卷考试，平时成绩占20%，考试成绩占80%7/31/20232地球物理与石油资源学院《岩石物理学》课程教材：主要参考书：总学时：48学时，必修课《岩石物理学》授课计划第1章岩石8学时第2章岩石孔隙度和渗透率6学时

第3章岩石中波的传播与衰减14学时第4章岩石的弹性8学时第5章岩石的变形6学时第6章岩石的断裂4学时第7章岩石的强度2学时7/31/20233地球物理与石油资源学院《岩石物理学》授课计划第1章岩石岩石物理学（petrophysics)

岩石物理学是岩石和物理学之间的交叉边缘学科，它通过专门实验技术手段研究地壳和地幔，岩石在地球不同深度环境下（即不同温度、压力、流体含量等）原始（insitu)岩石物理性质、成分变化和地质构造特征，同时为地表地球物理探测成果的正确解释提供科学约束。7/31/20234地球物理与石油资源学院岩石物理学（petrophysics)岩石物理学是《岩石物理学》第1章岩石第2章岩石孔隙度和渗透率第3章岩石中波的传播与衰减第4章岩石的弹性第5章岩石的变形第6章岩石的断裂第7章岩石的强度7/31/20235地球物理与石油资源学院《岩石物理学》第1章岩石7/30/20235地球物理与第1章岩石1.1地球上的岩石和矿物1.2岩石的分类1.3岩石的特点1.4研究岩石物理学的意义《岩石物理学》7/31/20236地球物理与石油资源学院第1章岩石《岩石物理学》7/30/20236地球物理与石第1章岩石矿物：由地质作用所形成的自然元素的单质或化合物。它们具有一定的化学成分、物理性质和化学性质呈固态出现者还具有确定的内部结构，它们在一定条件下稳定，是组成矿石和岩石的基本单位。1）矿物的化学成分类型

分为两类：一类是单质：石墨（C）、自然硫（S）、自然金（Au)另一类是化合物：石盐（NaCl)、石英（SiO2)、方解石（CaCO3)

1.1地球上的岩石和矿物1.1.1矿物7/31/20237地球物理与石油资源学院第1章岩石矿物：由地质作用所形成的自然元素的单质或化合物1.1地球上的岩石和矿物矿物中的水

许多矿物中都含水，根据水的性质和它在矿物中的存在形式，矿物中的水可分为：1、吸附水：以中性水分子H2O的形式被吸附于矿物颗粒表面或颗粒之间的水。2、层间水：以中性水分子H2O的形式存在于蒙脱石等矿物的晶体结构层之间的水。3)矿物中的化学式4）矿物的晶体结构5）矿物的物理性质

（1）矿物的放射性含铀、钍和钾的放射性同位素等放射性元素的矿物，由于放射性元素蜕变而放射出α、β、γ射线的性质。（2）矿物的导电性矿物对电流的传导能力，通常用电阻率的大小表示。（3）矿物的密度石英2.65g/cm3,石灰石2.71g/cm3（4）矿物的磁性矿物在外磁场作用下被磁化时，被外磁场吸引或排斥的性质7/31/20238地球物理与石油资源学院1.1地球上的岩石和矿物矿物中的水7/30/20238地1.1地球上的岩石和矿物（5）矿物的硬度矿物抵抗刻划、研磨、压力等机械作用的能力（6）矿物的解理和断口解理矿物晶体在外力作用下，沿着一定结晶方向裂成光滑平面断口矿物在外力作用下，在任意方向裂成不平的断面6）矿物的分类及主要矿物描述矿物分类主要矿物描述：

1、石英（Quartz)SiO2含Si46.7%,O53.3%物理性质：低放射性，密度2.65-2.66g/cm3,电阻率在1012-1014

欧姆米。2、正长石（Orthoclase)K[AISi3O8],含K2O16.9%,AI2O318.4%,SiO264,7%物理性质：高放射性，密度2.57g/cm3,电阻率14*1011欧姆米

7/31/20239地球物理与石油资源学院1.1地球上的岩石和矿物（5）矿物的硬度矿物抵抗刻划岩石：

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。1.1地球上的岩石和矿物1.1.2岩石7/31/202310地球物理与石油资源学院岩石：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

作为矿物的天然集合体，岩石的性质既与其组成矿物的性质，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。为了描述后者的关系，地质学上特别提出了微构造这个术语。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。由此我们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(scale)有关的。当我们在不同的尺度范围内研究岩石性质时，所得到的结果必然会有显著的差别。1.1地球上的岩石和矿物1.1.3岩石的微构造(microstructure)7/31/202311地球物理与石油资源学院作为矿物的天然集合体，岩石的性质既与其组成矿物1.1地球上的岩石和矿物

例如，在组成岩石的矿物颗粒大小的范围内进行测量时，岩石表现出了不均匀和无序的物理性质;但当我们转而在比矿物颗粒大许多的范围内进行测量时，就可以把岩石看成是均一的—一种统计上的均一性;若再在足够大的尺度范围内进行测量，就可以认为岩石的所有部分都具有相同的物理性质，而这时的测量结果可以视作是与尺度无关的。当然，这仅是一种理想化的结果。自然界发现的岩石，很少表现出如此理想的性质，通常在测量尺度变化时，它们的物理性质也会发生变化。这是因为自然界中存在着许多导致不均匀的因素，而这些因素在各种尺度上都会起到一定的作用。举例来说，这些因素包括矿物颗粒的大小与排列，颗粒大小的分布关系，颗粒大小的空间分布和岩石的破裂，等等。这里就提出了一个重要的间题，怎样才能把实验室内用小尺度进行测量得到的结果外推应用至大尺度的自然界呢?显然，研究岩石的尺度效应是重要的，这可以将岩石的整体性质与其组成矿物的性质和岩石内部微结构特点联系起来。1.1.3岩石的微构造(microstructure)7/31/202312地球物理与石油资源学院1.1地球上的岩石和矿物例如，在组成岩石的矿物颗粒岩石研究的尺度问题研究地球材料存在着不同的研究尺度。第一种是矿物颗粒(grain)的尺度，亦可称为矿物尺度(micro-scale):研究各个矿物的性质，矿物与矿物之间相互的接触几何等，第二种是研究由多个矿物组成的岩石尺度，通常称为岩石尺度(macro-scale):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;第三种尺度则更大了，不仅包括了完整的岩石，而且还包括了多种岩石的组合，包括了岩石中的节理等间断面，这种称为岩体(mega-scale)的尺度，岩体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(gtga-scale)，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。1.1地球上的岩石和矿物1.1.3岩石的微构造(microstructure)7/31/202313地球物理与石油资源学院岩石研究的尺度问题1.1地球上的岩石和矿物1.1.1.1地球上的岩石和矿物1.1.3岩石的微构造(microstructure)图1-1岩石地质现象7/31/202314地球物理与石油资源学院1.1地球上的岩石和矿物1.1.3岩石的微构造(mi1.2岩石的分类第1章岩石

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。当然，也可以针对一种或两种岩石的具体性质进行分类。例如，当研究流体在岩石中的输运过程时，最重要的是矿物颗粒的大小，而矿物的磁性却可放在一边。于是，可以把矿物颗粒和孔隙度大小作为岩石分类的依据。但考虑到这种分类的任意性，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。7/31/202315地球物理与石油资源学院1.2岩石的分类第1章岩石可以按照岩石包含的矿1.2岩石的分类1.2.1成岩过程

地球处于不断的运动之中，其内部的过程也多种多样，细节各异。但就岩石的形成而言，地球(特别是地壳和上地慢)中的过程主要有以下三种:

火成过程((igneousprocess):地壳深部融化的物质、熔融的岩浆在地下或喷出地表，发生结晶和固化的过程。

沉积过程(sedimentaryprocess):地表岩石风化的产物，经过风、流水的搬运，在某些低洼地方沉积下来的过程。有些易溶解的岩石、矿物经过流水溶解、搬运和沉积，也属于沉积过程的一种。

变质过程(metamorphicprocess):在地球内部高温或高压环境下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化，使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。这些变化可以在低于硅的熔化温度时发生，所以，先已存在的岩石可以始终保持固态。这种过程不同于前面叙述过的火成过程或沉积过程，一般称之为变质过程。7/31/202316地球物理与石油资源学院1.2岩石的分类1.2.1成岩过程地球处于不断的1.2.2火成岩1.2岩石的分类

火成岩一般指岩浆在地下或喷出地表冷凝后形成的岩石，又称岩浆岩，是组成地壳的主要岩石。

构成火成岩的主要元素有氧、硅、铝、钙、钠、钾、镁和钛，后几种元素氧化物的含量即占火成岩总重量的99%左右，特别是二氧化硅的含量最高，在不同的火成岩中均占总重量的35%一78%。

在火成岩中，二氧化硅被称作酸性组分;铁、镁和钙被称作基性组分，钠和钾称作碱性组分。按照火成岩中二氧化硅含量的多少，一般将火成岩分为酸性、中性和基性3类。富含二氧化硅(>65%)的火成岩称为酸性岩，如花岗岩、流纹岩等;含二氧化硅少(<52%)的称为基性岩，如辉长岩、玄武岩等，介于二者之间的称为中性岩，这类岩石的典型代表有闪长岩、安山岩等。图1-2火成岩7/31/202317地球物理与石油资源学院1.2.2火成岩1.2岩石的分类火成岩一般指岩浆在1.2岩石的分类1.2.2火成岩

在各种不相同的地质环境下岩浆都可以冷凝成岩。

如果岩浆在地下活动，冷凝固化后可以形成侵入岩((intrusiverocks);

如果岩浆由火山活动喷发到地表后才冷凝固化，则形成喷出岩(extrusiverocks)。按火成岩中矿物颗粒的大小，也可以将火成岩分成两类:

细粒火成岩(玄武岩、安山岩和流纹岩等)细粒火成岩大都是喷出岩，它们的温度先是急剧下降，然后至地面进行冷却;

粗粒火成岩(辉长岩、闪长岩和花岗岩等)。粗粒火成岩多是侵入岩，它们的温度是逐渐冷却的。不少人把按侵入岩和喷出岩作为区分火成岩的最重要的方法。7/31/202318地球物理与石油资源学院1.2岩石的分类1.2.2火成岩在各种不1.2岩石的分类1.2.2火成岩图1-3火成岩类型7/31/202319地球物理与石油资源学院1.2岩石的分类1.2.2火成岩图1-3火成岩类型7/1.2.3沉积岩1.2岩石的分类1)沉积岩沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。也就是说，它是早先形成的岩石破坏后，又通过物理或化学作用在地球表面(大陆和海洋)的低凹部位沉积，经过压实、胶结再次硬化，形成的具有层状构造特征的岩石。2)沉积岩的分类1、陆源沉积岩砾岩、砂岩、粉砂岩、粘土岩2、火山物源沉积岩集块岩、火山角砾岩、凝灰岩3、内源沉积岩石灰岩、白云岩7/31/202320地球物理与石油资源学院1.2.3沉积岩1.2岩石的分类1)沉积岩2)沉积岩的分1.2岩石的分类1.2.4变质岩

地球上的第三类岩石是由变质作用形成的变质岩。在地球内部高温或高压的情况下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。7/31/202321地球物理与石油资源学院1.2岩石的分类1.2.4变质岩地球上的第三类

一般说来，岩石的物理性质主要由三个方面的因素决定:第一，岩石的组成，包括组成岩石的矿物成分，岩石内部的孔隙度，岩石的饱和状态和孔隙流体的性质等，第二，岩石内部的结构，包括矿物颗粒的大小、形状及胶结情况，岩石内部的裂隙和其他不连续界面等;第三，岩石所处的热力学环境，包括温度、压力和地应力场等。

尽管不同的岩石具有不同的矿物组成、结构、孔隙度等，所处的热力学环境也大不相同，但在受到应力(天然的力或是人为的力)作用时，同一类别内岩石的反应差别较小，并且有许多相似处。1.2岩石的分类7/31/202322地球物理与石油资源学院一般说来，岩石的物理性质主要由三个方面的因素决定

表1-l给出了地壳中最常见的三类9种岩石的一些物理性质。从表中可以看出，沉积岩的孔隙度比其他类别大，而对于抗压强度，火成岩则明显高于沉积岩。因此，上面介绍的岩石分类方法对于描述多种岩石的共同特性，是十分有意义的。表1-1常见某些岩石的物理性质

1.2岩石的分类7/31/202323地球物理与石油资源学院表1-l给出了地壳中最常见的三类9种岩石的一些物1.2.5成岩旋回(rockcycle)1.2岩石的分类

由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程可以看出它们之间有着密切的联系，它们都是活动着的地球过程的产物，同时，随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以互相转变(图1-4)。对这种转变过程的研究不但可以加深对岩石生成过程的认识，还可以了解在某类岩石变到另一类岩石的转变过程中包含的地质现象。岩石循环这个地质学中的重要概念，最早是JamesHutton在200多年前提出来的(Hutton,1795)。图1-4成岩旋回7/31/202324地球物理与石油资源学院1.2.5成岩旋回(rockcycle)1.2岩石的1.3岩石的特点第1章岩石

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:1.3.1高压高温环境

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35km，海洋里为几公里。地壳底部的压力约为1GPa,温度约600℃，地球半径为6371.从图中可以看出，地壳以下的地球内部ss%的岩石都处在1GPa和600C以上的高压高温状态(据Wylhe,1992)

图1-5地球内部压力和温度随地球半径的分布7/31/202325地球物理与石油资源学院1.3岩石的特点第1章岩石岩石，作为一种特殊材1.3.2多孔介质1.3岩石的特点

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1-6给出了砂岩的扫描电子显微镜照片，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100，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

图1-6砂岩的扫描电子显微镜(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(Crampm和Aztsep}n，1997)7/31/202326地球物理与石油资源学院1.3.2多孔介质1.3岩石的特点岩石是由固体的1.3.3长期作用1.3岩石的特点

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。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、地慢对流等，岩石可以像粘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。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，例如岩石的蠕变和流动(见本书“岩石的变形”一章)，又如岩石的断裂也经过了一个与时间有关的过程:裂纹扩展直至最后断层的形成(见“岩石的断裂”一章)。这种特性对于解释地球动力学的基本间题，显然是有意义的。20世纪70年代的板块运动学说的建立，对岩石物理学性质的研究曾经起过重要的作用，90年代大陆动力学研究的开展，对岩石物理性质的理解又提出了新的课题。7/31/202327地球物理与石油资源学院1.3.3长期作用1.3岩石的特点岩石在短时间外1.3岩石的特点1.3.4最广泛的应用材料

岩石最后一个特点是显而易见的。如果把岩石也看做是一种材料的话，它是世界上分布最广、重量最大、应用最广泛的一种材料，这是其他任何一种材料不能相比的。7/31/202328地球物理与石油资源学院1.3岩石的特点1.3.4最广泛的应用材料岩石最1.4研究岩石物理学的意义第1章岩石1.4.1岩石物理学的内容

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(behaviour)及其物理性质的。

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。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成功的例子。还可以从另一个角度来描述这一点: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。岩石物理学的研究重点，反映了这门学科的基础性和应用性。

研究地球的学科有许多，它们共同的特点是利用地面附近的观测资料，推算地球内部的组成、构造和动力学运动。例如通过地震勘探方法，得到关于地下深处结构、弹性波速度分布的地震反射走时图。属于一种反演问题，其最大的特点，或者说带给我们的最大的困难就在于它的多解性。而通过岩石物理学的研究，就能够设法知道地球内部岩石的物理性质，这不仅会为反演提供知识基础以及必要的数据资料，同时也可以大大减小反演问题的不确定性。7/31/202329地球物理与石油资源学院1.4研究岩石物理学的意义第1章岩石1.4.1岩石1.4.2正演问题和反演问题1.4研究岩石物理学的意义

(1)已知矿物、岩石的性质，如何由这些矿物、岩石的性质推断岩体和地质性质，这是一个由微观到宏观的推演过程，通常称为正问题;

(2)已知地质、岩体的性质，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问题;

(3)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。7/31/202330地球物理与石油资源学院1.4.2正演问题和反演问题1.4研究岩石物理学的意义1.4研究岩石物理学的意义图1-7研究岩石中流体输运过程由不同尺度研究间题组成的研究框架，是岩石物理学中正间题研究的典型例子图1-7中列举的研究框架是岩石物理学正问题研究的典型例子。先从矿物尺度研究矿物和其晶粒的输运特性，从微观角度研究矿物的微结构和渗透性、矿物之间的孔隙以及矿物变形对这些输运过程的影响;然后研究岩石作为矿物集合体的输运特性，主要研究岩石内部微破裂和孔隙的发展，孔隙的几何情况，密度，以及它们的空间分布;第三则集中研究那些连通的