岩石物理学及岩石性质.pdf

1、岩 石 物 理 学 及 岩 石 性 质一 、 矿 物1.1 矿 物矿 物 是 单 个 元 素 或 若 干 个 元 素 在 一 定 地 质 条 件 下 形 成 的 具 有 特 定 理 化 性 质的 化 合 物 ， 是 构 成 岩 石 的 基 本 单 元 。 矿 物 多 数 是 在 地 壳 （ 地 球 ） 物 理 化 学 条 件 下形 成 的 无 机 晶 质 固 体 ， 也 有 少 数 呈 非 晶 质 和 胶 体 。1.2 矿 物 的 主 要 物 理 特 性1.2.1 光 学 特 性（ 1） 颜 色 ： 矿 物 的 颜 色 由 矿 物 对 入 射 光 的 反 映 呈 现 出 来 。 一 般 来 说

2、 矿 物 的颜 色 是 矿 物 对 入 射 光 吸 收 色 的 补 色 。（ 2） 条 痕 :条 痕 色 指 矿 物 经 过 在 不 涂 釉 的 瓷 板 上 擦 划 ， 在 瓷 板 上 留 下 的 矿 物粉 粒 的 颜 色 。（ 3） 光 泽 :光 泽 是 矿 物 表 面 对 入 射 光 所 射 的 总 光 量 。 根 据 光 泽 有 无 金 属 感 ，将 光 泽 分 为 金 属 光 泽 与 非 金 属 光 泽 。 矿 物 光 泽 特 性 既 与 矿 物 组 成 和 结 构 有 关 ， 又与 矿 物 表 面 特 征 有 关 。（ 4） 透 明 度 :透 明 度 与 矿 物 对 矿 物 透 射

3、光 的 多 少 有 关 。1.2.2 力 学 性 质（ 1） 硬 度 ：矿 物 的 硬 度 是 指 矿 物 的 坚 硬 程 度 。 一 般 采 用 摩 氏 硬 度 法 鉴 别 矿 物 硬 度 。 即 采用 标 准 矿 物 的 硬 度 对 未 知 矿 物 进 行 相 对 硬 度 的 鉴 别 。 摩 氏 硬 度 中 选 取 十 种 矿 物 作为 标 准 矿 物 ， 将 矿 物 分 为 10 级 ， 称 为 摩 氏 硬 度 计 。 这 十 种 矿 物 硬 度 由 1 级 到 10 级的 顺 序 是 ： 滑 石 ， 石 膏 ， 方 解 石 ， 磷 灰 石 ， 萤 石 ， 正 长 石 ， 石 英 ， 黄

4、 玉 ， 刚 玉 ， 金 刚 石 。（ 2） 解 理 与 断 口 ：矿 物 受 力 后 产 生 破 裂 出 现 的 没 有 一 定 方 向 的 不 规 则 的 断 开 面 ， 谓 之 断 口 。 当晶 质 体 矿 物 受 力 断 开 时 ， 出 现 一 系 列 平 行 的 、 平 整 的 裂 面 时 ， 称 为 解 理 。 断 口 出现 的 程 度 跟 解 理 的 完 善 程 度 相 互 消 长 ， 解 理 程 度 越 低 的 矿 物 越 容 易 形 成 断 口 。 因此 ， 断 口 具 有 了 非 晶 质 体 的 基 本 含 义 。 解 理 与 晶 质 体 内 质 点 间 距 有 明 显 的

5、 关 系 ，解 理 常 出 现 在 质 点 密 度 较 大 的 方 向 上 。（ 3） 延 展 性 ：矿 物 的 延 展 性 ， 也 可 以 称 为 矿 物 的 韧 性 。 其 特 征 是 表 现 为 矿 物 能 被 拉 成 长 丝和 辗 成 薄 片 的 特 性 。 这 是 自 然 金 属 元 素 具 有 的 基 本 特 性 。1.3 重 要 矿 物（ 1） 自 然 元 素 矿 物 ： 这 类 矿 物 较 少 ， 其 中 包 括 人 们 所 熟 知 的 矿 物 ， 如 金 、铂 、 自 然 铜 、 硫 磺 、 金 刚 石 （ 见 图 1） 、 石 墨 等 。图 1 金 刚 石（ 2） 硫 化

6、物 类 矿 物 ： 本 类 是 金 属 元 素 与 硫 的 化 合 物 ， 大 约 200 多 种 ， Cu、Pb、 Mo、 Zn、 As、 Sb、 Hg 等 金 属 矿 床 多 有 此 类 矿 物 富 集 而 称 ， 具 有 很 大 的 经 济价 值 。方 铅 矿 PbS。 闪 锌 矿 ZnS。 黄 铁 矿 FeS 2（ 见 图 2）图 2 黄 铁 矿（ 3） 氧 化 物 及 氢 氧 化 物 类 矿 物 ： 本 类 矿 物 分 布 相 当 广 泛 ， 共 约 180 多 种 ，包 括 重 要 的 造 盐 矿 物 如 石 英 及 Fe、 Al、 Mn、 Cr、 Ti、 Sn、 U、 Th等 的

7、 氧 化 物 或 氢氧 化 物 ， 是 铁 、 铝 、 锰 、 铬 、 钛 、 锡 、 铀 、 钍 等 矿 石 的 重 要 来 源 ， 经 济 价 值 很 大 。赤 铁 矿 Fe 2 O 3 。 磁 铁 矿 Fe 3O 4或 FeO Fe 2 O3。 褐 铁 矿 FeO（ OH） nH 2O。 软 锰 矿 MnO 2。 铝 土 矿 Al 2 O 3 nH 2 O石 英 SiO2（ 4） 含 氧 盐 类 矿 物 ：正 长 石 KAlSi3O8或 K2O Al2O3 6SiO2。 斜 长 石 橄 榄 石 （ Mg， Fe） 2SiO4。辉 石 （ Ca， Na） (Mg， Fe， Al)(Si，

8、Al)2O6。 角 闪 石 Ca2Na(Mg， Fe)4（ Al， Fe）(Si， Al)4O112OH2云 母 。 方 解 石 CaCO3。 （ 见 图 3）图 3 方 解 石二 、 岩 石2.1 岩 石岩 石 ， 地 质 勘 探 的 主 要 对 象 。 是 固 态 矿 物 或 矿 物 的 混 合 物 ， 由 一 种 或 多 种 矿物 组 成 的 ， 具 有 一 定 结 构 构 造 的 集 合 体 ， 也 有 少 数 包 含 有 生 物 的 遗 骸 或 遗 迹 （ 即化 石 ） 。2.2 岩 石 种 类（ 1） 岩 浆 岩也 称 火 成 岩 。 来 自 地 球 内 部 的 熔 融 物 质 ，

9、 在 不 同 地 质 条 件 下 冷 凝 固 结 而 成 的岩 石 。 当 熔 浆 由 火 山 通 道 喷 溢 出 地 表 凝 固 形 成 的 岩 石 ， 称 喷 出 岩 或 称 火 山 岩 。 常见 的 火 山 岩 有 玄 武 岩 、 安 山 岩 和 流 纹 岩 等 。 当 熔 岩 上 升 未 达 地 表 而 在 地 壳 一 定 深度 凝 结 而 形 成 的 岩 石 称 侵 入 岩 ， 按 侵 入 部 位 不 同 又 分 为 深 成 岩 和 浅 成 岩 。 花 岗 岩（ 见 图 4） 、 辉 长 岩 、 闪 长 岩 是 典 型 的 深 成 岩 。 花 岗 斑 岩 、 辉 长 玢 岩 和 闪

10、长 玢 岩 是常 见 的 浅 成 岩 。 根 据 化 学 组 分 又 可 将 火 成 岩 分 为 超 基 性 岩 （ SiO2， 小 于 45%） 、 基性 岩 （ SiO2， 45% 52%） 、 中 性 岩 （ SiO2， 52% 65%） 、 酸 性 岩 （ SiO2， 大 于 65%）和 碱 性 岩 含 有 特 殊 碱 性 矿 物 ， SiO2， 52% 66%） 。 火 成 岩 占 地 壳 体 积 的 64.7%。图 4 花 岗 岩（ 2） 沉 积 岩也 称 水 成 岩 。 在 地 表 常 温 、 常 压 条 件 下 ， 由 风 化 物 质 、 火 山 碎 屑 、 有 机 物 及少

11、量 宇 宙 物 质 经 搬 运 、 沉 积 和 成 岩 作 用 形 成 的 层 状 岩 石 。 沉 积 岩 由 颗 粒 物 质 和 胶结 物 质 组 成 。 颗 粒 物 质 是 指 不 同 形 状 及 大 小 的 岩 屑 及 某 些 矿 物 ， 胶 结 物 质 的 主 要成 分 为 碳 酸 钙 、 氧 化 硅 、 氧 化 铁 及 粘 土 质 等 。 按 成 因 可 分 为 碎 屑 岩 、 粘 土 岩 和 化学 岩 （ 包 括 生 物 化 学 岩 ） 。 常 见 的 沉 积 岩 有 砂 岩 、 凝 灰 质 砂 岩 、 砾 岩 、 粘 土 岩 、页 岩 、 石 灰 岩 、 白 云 岩 、 硅 质

12、岩 、 铁 质 岩 、 磷 质 岩 等 。 沉 积 岩 占 地 壳 体 积 的 7.9%，但 在 地 壳 表 层 分 布 则 甚 广 ， 约 占 陆 地 面 积 的 75%， 而 海 底 几 乎 全 部 为 沉 积 物 所 覆盖 。（ 3） 变 质 岩原 有 岩 石 经 变 质 作 用 而 形 成 的 岩 石 。 根 据 变 质 作 用 类 型 的 不 同 ， 可 将 变 质 岩分 为 5类 ： 动 力 变 质 岩 、 接 触 变 质 岩 、 区 域 变 质 岩 、 混 合 岩 和 交 代 变 质 岩 。 常 见的 变 质 岩 有 糜 棱 岩 、 碎 裂 岩 、 角 岩 、 板 岩 、 千 枚

13、 岩 （ 见 图 5） 、 片 岩 、 片 麻 岩 、 大理 岩 、 石 英 岩 、 角 闪 岩 、 片 粒 岩 、 榴 辉 岩 、 混 合 岩 等 。 变 质 岩 占 地 壳 体 积 的 27.4%。图 5 千 枚 岩火 成 岩 、 沉 积 岩 、 变 质 岩 三 者 可 以 互 相 转 化 。 火 成 岩 经 沉 积 作 用 成 为 沉 积 岩 ，经 变 质 作 用 成 为 变 质 岩 。 变 质 岩 也 可 再 次 成 为 新 的 沉 积 岩 ， 沉 积 岩 经 变 质 作 用 成为 变 质 岩 ， 沉 积 岩 、 变 质 岩 可 被 熔 化 ， 再 次 成 为 火 成 岩 。2.3 岩

14、 石 的 物 理 性 质（ 1） 磁 性岩 石 的 磁 性 主 要 决 定 于 组 成 岩 石 的 矿 物 的 磁 性 ， 并 受 成 岩 后 地 质 作 用 过 程 的影 响 。 一 般 说 ， 橄 榄 石 、 辉 长 石 、 玄 武 岩 等 基 性 、 超 基 性 岩 浆 岩 的 磁 性 最 强 ； 变质 岩 次 之 ； 沉 积 岩 最 弱 。岩 石 和 矿 物 的 磁 性 与 温 度 、 压 力 有 关 系 。 顺 磁 性 矿 物 的 磁 化 率 与 温 度 的 关 系遵 循 居 里 定 律 。 铁 磁 性 矿 物 的 居 里 温 度 一 般 为 300 700 ， 其 磁 化 率 一

15、般 随 温 度升 高 而 增 大 （ 可 达 50%） ， 至 居 里 温 度 附 近 则 迅 速 下 降 。 岩 石 的 磁 化 率 和 磁 化 强 度值 都 随 压 力 的 增 大 而 减 小 。（ 2） 密 度 和 孔 隙 度矿 物 的 密 度 是 由 构 成 该 矿 物 各 元 素 的 原 子 量 和 矿 物 的 分 子 结 构 决 定 的 。 天 然金 属 的 密 度 最 大 。 石 油 的 密 度 是 由 其 成 分 决 定 的 。 岩 石 的 密 度 取 决 于 它 的 矿 物 组成 、 结 构 构 造 、 孔 隙 度 和 它 所 处 的 外 部 条 件 。（ 3） 弹 性 波

16、传 播 速 度纵 波 和 横 波 在 岩 石 和 矿 物 中 传 播 的 速 度 vP和 vS是 地 球 物 理 勘 探 中 常 用 的 两个 参 数 。矿 物 中 波 的 传 播 速 度 与 矿 物 的 密 度 有 关 ， 对 于 主 要 造 岩 矿 物 ， 如 长 石 、 石 英等 ， 波 速 一 般 随 密 度 的 增 加 而 升 高 ； 对 于 金 属 矿 物 和 天 然 金 属 ， 波 速 一 般 随 密 度的 增 加 而 下 降 。岩 石 中 的 波 速 取 决 于 其 矿 物 成 分 和 孔 隙 充 填 物 的 弹 性 。压 力 增 大 时 ， 岩 石 中 的 波 速 增 大 。

17、（ 4） 电 性地 球 物 理 勘 探 中 常 用 的 岩 石 电 性 参 数 有 电 导 率 或 电 阻 率 ， 电 容 率 和极 化 率 。按 导 电 特 性 不 同 ， 矿 物 可 分 为 导 体 、 半 导 体 和 介 电 体 。 一 些 金 属 （ 如 自 然 金 、自 然 铜 等 ） 和 石 墨 等 属 于 导 体 （ 10-6 10-5欧 姆 米 ） 。 多 数 金 属 硫 化 物 和金 属 氧 化 物 属 于 半 导 体 （ 10-6 106欧 姆 米 ） 。 绝 大 多 数 造 岩 矿 物 （ 石 英 、长 石 、 云 母 等 ） 属 于 介 电 体 （ 106欧 姆 米 ）

18、 。 不 同 岩 石 和 矿 石 的 矿 物 组 成 、结 构 构 造 、 孔 隙 液 含 量 和 液 体 的 性 质 都 不 相 同 ，岩 石 和 矿 物 的 电 容 率 即 为 介 电 常 数 。 在 实 用 中 为 了 方 便 ， 常 采 用 无 量 纲 参数 相 对 电 容 率 k面 极 化 系 数 和 极 化 率 是 激 发 极 化 法 （ 见 电 法 勘 探 ） 所 用 的 两 个 电 性 参 数 。含 矿 岩 石 的 极 化 率 要 比 不 含 矿 的 大 得 多 。 在 结 构 构 造 相 同 的 同 类 含 矿 岩 石 中 ,随 着 导 电 矿 物 体 积 含 量 ( v)的

19、 增 加 ， 极 化 率 开 始 明 显 增 大 ， 渐 趋 于 某 一 极 大 值 。极 化 率 在 很 大 程 度 上 受 着 结 构 构 造 的 控 制 。 此 外 ， 极 化 率 还 与 温 度 和 孔 隙 液 含 盐浓 度 等 因 素 有 关 。 岩 石 或 矿 石 中 有 拉 长 形 导 电 矿 物 ， 当 其 呈 定 向 排 列 时 ， 这 种 岩石 或 矿 石 的 极 化 率 有 明 显 的 各 向 异 性 。（ 5） 热 学 性 质在 地 球 物 理 工 作 中 常 用 的 热 学 参 数 是 热 导 率 。 大 多 数 矿 物 的 热 导 率 都 显 示 各向 异 性 。

20、岩 石 的 热 导 率 取 决 于 组 成 岩 石 的 矿 物 和 固 体 颗 粒 间 的 介 质 如 空 气 、 水 、石 油 等 的 绝 热 性 质 。 孔 隙 度 增 高 时 热 导 率 下 降 。 当 温 度 和 压 力 升 高 时 ， 空 气 的 热导 率 显 著 增 大 。岩 石 和 矿 物 的 热 导 率 与 温 度 、 压 力 有 关 系 。 一 般 说 来 ， 温 度 升 高 ,热 导 率 降低 ,， 压 力 升 高 ， 沉 积 岩 的 热 导 率 增 大 ， 当 压 力 从 零 升 至 100大 气 压 时 ， 热 导 率变 化 最 大 。 压 力 再 升 高 ， 则 热

21、导 率 变 化 不 大 ， 或 趋 于 一 常 数 。三 、 岩 石 物 理 学3.1 岩 石 物 理 学岩 石 物 理 研 究 主 要 是 试 图 建 立 地 球 物 理 勘 探 所 获 得 的 物 理 量 与 地 下 岩 石 参数 的 定 量 对 应 关 系 ， 并 快 速 理 解 储 层 流 体 变 化 所 引 起 的 地 震 响 应 变 化 ， 增 强 和 减小 解 释 的 风 险 。3.2 发 展 现 状 及 应 用 技 术国 外 岩 石 物 理 研 究 的 重 点 在 于 理 论 模 型 的 建 立 和 应 用 ， 着 眼 于 研 究 成 果 的 系统 化 和 精 细 化 。国 内

22、 岩 石 物 理 研 究 则 紧 紧 跟 踪 了 国 外 的 技 术 发 展 ， 着 眼 于 岩 石 物 理 理 论 模 型的 应 用 ， 主 要 包 括 以 下 几 方 面 ：1） 岩 石 物 理 理 论 模 型 适 应 性 研 究 ；2） 实 验 室 岩 心 测 试 技 术 研 究 ；3） 储 层 特 征 参 数 研 究 ；4） 岩 石 物 理 参 数 规 律 统 计 ；5） 储 层 特 征 敏 感 参 数 识 别 ；6） 测 井 曲 线 的 重 构 或 生 成 。3.3 未 来 发 展 趋 势随 着 隐 蔽 油 气 藏 勘 探 开 发 及 提 高 老 油 田 采 收 率 的 实 际 需

23、要 ， 作 为 油 气 勘 探 开发 领 域 的 基 础 性 研 究 ， 岩 石 物 理 研 究 在 未 来 储 层 特 征 识 别 、 测 井 曲 线 估 算 、 流 体性 质 预 测 、 AVO、 时 移 地 震 等 方 面 有 着 广 泛 的 应 用 ， 面 临 着 难 得 的 机 遇 。岩 石 物 理 研 究 相 当 于 油 气 勘 探 开 发 的 显 微 镜 ， 不 同 的 研 究 阶 段 、 不 同 的 研 究对 象 ， 需 要 不 同 的 技 术 支 撑 。岩 石 物 理 未 来 的 研 究 的 重 点 可 能 包 括 以 下 方 面 ：1） 岩 石 物 理 模 型 建 立 及

24、适 用 性 研 究岩 石 物 理 性 质 是 复 杂 的 ， 且 不 同 区 域 有 不 同 的 规 律 。 一 方 面 ， 要 基 于 地 震 波在 岩 石 中 传 播 的 规 律 ， 建 立 尽 可 能 确 切 的 岩 石 物 理 性 质 各 因 素 间 相 互 联 系 的 理 论模 型 ， 这 是 岩 石 物 理 研 究 的 基 础 ； 另 一 方 面 ， 要 明 确 不 可 能 得 到 一 种 普 遍 的 理 论模 型 或 者 经 验 公 式 ， 因 此 应 用 理 论 模 型 或 者 经 验 公 式 时 ， 必 须 要 了 解 各 自 的 适 用范 围 、 假 设 条 件 和 关 键

25、 参 数 ， 简 单 的 外 推 可 能 导 致 错 误 的 结 果 。2） 岩 石 物 理 研 究 在 勘 探 开 发 中 的 实 际 应 用随 着 计 算 机 能 力 的 提 高 和 地 震 处 理 技 术 的 改 进 ， 地 震 数 据 处 理 可 以 解 释 地 下岩 石 更 多 的 细 节 ， 如 岩 性 识 别 、 流 体 识 别 、 孔 隙 性 质 判 断 、 储 层 压 力 和 温 度 确 定 、岩 石 衰 减 因 子 确 定 等 。 没 有 相 应 的 岩 石 物 理 研 究 ， 这 些 任 务 很 难 实 现 ； 同 时 也 需要 在 勘 探 发 实 践 中 ， 对 岩 石

26、 物 理 研 究 所 得 到 的 认 识 、 结 论 不 断 的 进 行 探 索 应 用 ，分 析 其 存 在 的 问 题 ， 不 断 的 进 行 完 善 。3） 岩 石 物 理 模 版 研 究岩 石 物 理 技 术 在 储 层 物 性 反 演 、 烃 类 检 测 、 AVO、 时 移 地 震 等 地 震 技 术 中 起到 了 基 本 准 则 的 作 用 ， 也 可 对 地 震 数 据 的 处 理 和 解 释 提 供 基 础 性 参 数 和 参 考 ， 这种 准 则 作 用 或 者 基 础 参 数 分 析 可 以 通 过 岩 石 物 理 模 板 实 现 。基 于 区 域 地 质 和 岩 石 物 理 参 数 ， 如 岩 性 、 矿 物 组 成 、 深 度 、 压 力 、 温 度 梯 度 、成 岩 作 用 、 流 体 特 征 等 ， 通 过 各 种 参 数 的 统 计 分 析 ， 建 立 针 对 特 定 应 用 目 的 不 同属 性 参 数 之 间 的 关 系 的 模 版 ， 为 地 质 学 家 对 地 球 物 理 信 息 的 定 性 认 识 乃 至 定 量 解释 提 供 方 便 的 实 用 工 具 。