原地电阻率变化的实验

在野外原地对某些自然状态非饱和的土层及含裂隙矽化灰岩电阻率随应变的变化进行了实验.主要结果有:1)低应力下,随体积的压缩电阻率下降;体积膨胀时电阻率上升;2)所测岩、土层电阻率相对变化(/)对微小应变()的变化响应甚为敏感,裂隙岩层比土层更甚.放大系数(/)/与应变量有关,对10-4应变通常有一、二百倍,对10-5应变可达数百乃至上千倍;3)电阻率相对变化幅度随力源强度和尺度的增加而增加,随力源距离的增加而衰减.电阻率变化起始时间随距离的增加显示出滞后现象;4)水平各向同性土层,在应力作用下,不同方向电阻率变化不同,呈现出方向性.通常垂直最大压缩方向的电阻率 下降较多,平行方向的∥下降较小或略有上升,与压力呈45的45下降幅度介于中等.含裂隙矽化灰岩则不同,不同方向电阻率的变化不仅与压缩方向有关,而且还与裂隙方向有关.通常是∥下降较多.当压应力平行裂隙时, 也下降,但当压应力垂直裂隙时, 则明显上升.      

地震波振幅异常的某些物理解释

本文把较大地震前观测到的地震波振幅异常变化与模拟实验的结果及理论分析加以对比,借助于地壳介质的变化对振幅比前兆异常特征提出了某些物理解释。较大地震前观测到的地震波振幅比时间变化呈“低值——上升到稳定高值——发震——回到正常值”的形态;主震危险区位于异常区内,多数在比值梯度大的地方,临震时比值骤增,各台比值峰值出现时间由震中距,方位角不同而有序。岩石压力实验中压力达岩石破坏强度50—60%以后,P波振幅随压力增加而下降,幅度较大;A_S/A_P随加压而下降,达破坏强度90%以后,迅速回升;若加载达破坏强度之95%时充水稳压,P波振幅在各方向均减小。在理论上把孕震过程中介质的变化分别用单相和多相介质模拟,多相介质中考虑以气和水为孔隙流体,给出本构关系,求出速度和垂直向位移。理论工作表明:A_S/A_P在孔隙介质为气时比为水时小;P波振幅变化大;孔隙度大,振幅比变小。介质中应力集中程度达岩石破坏强度60%前后,可分别用单相和多相来描述介质。两相中,微裂隙张开,以气体为主,A_S/A_P变小,呈负异常,达90%时,A_S/A_P上升,围压大于孔隙压,孔隙流体以水为主,且水进速率大于孔隙度增大速率;临震时予滑,应力部分解除,孔隙部分闭合,孔隙饱和,振幅比出现峰值,至于空间分布则要考虑应力积累与调整部位介质强度不同,可能造成孔隙度及饱和度不同所致。由于本文的物理解释中综合了实际观测,模拟实验和理论分析的结果,又把应力状态与介质变化联系起来,故此种解释可能具有成因观点。     

井中震电效应的模拟实验研究(Ⅱ):孔隙饱和岩石部分

使用小功率直流电源(32V,3A),正交于声波传播方向供电,实验考察了直流电场对4块砂岩岩心的声学性质的影响,发现了一些以往文献没有报导的实验现象,总体上,有1)随通电时间增长,电流强度下降,最后趋于“饱和”;2)岩石的声速有先降后升的趋势,相对变化一般小于2％;3)纵波幅度呈现下降趋势,相对变化幅度最大可达到80％;4)声速和声幅的变化与岩石的渗透率有正相关关系,例如D7#20由于渗透率很低,因此声速和声幅的变化很小．结合岩石电阻率增大以及对含水饱和度影响岩石声学性质的一般认识,认为实验现象与电解导致的岩石孔隙内部含水饱和度的下降有关．研究结果有助于丰富对目前电法—地震勘探实验某些现象的认识。     

含裂隙介质中的视电阻率各向异性变化

我国50多年的视电阻率连续观测结果表明,大地震前近震中区域的视电阻率呈现出与主压应力方位有关的各向异性变化,即:垂直于主压应力方向观测的变化幅度最大,平行方向最小或不明显,斜交方向介于二者之间.目前我国定点台站视电阻率观测的探测范围主要在浅层沉积层以内,通常含有较多的含水裂隙.本文将地下岩土介质简化为由固体基质和含流体/气体裂隙组成的固液气三相介质,且基质、流体和气体具有标量形式的电阻率,推导出了包含基质和流体电阻率、裂隙率、饱和度和裂隙面积率因子的电阻率张量表达式.以裂隙的扩展/闭合表示应力作用下裂隙的变化,得到了电阻率随裂隙变化的微分形式,电阻率变化对裂隙体积变化放大系数的表达式和裂隙横向变化对纵向电阻率影响的横向权系数的表达式.在此基础上得到了介质电阻率和视电阻率的各向异性变化特征:对于含水裂隙介质,无论裂隙如何变化,均是最小主轴方向电阻率的变化幅度大于其他方向;对于含水孔隙介质,沿孔隙主要变化方向的主轴电阻率变化幅度大于其他方向.对于各向异性变化,视电阻率和介质电阻率存在π/2的方向差异.相较于含水岩石,无水岩石介质电阻率的各向异性变化不显著.本文提出的电阻率表达式可以对实验室和野外实际观测的许多结果做出合理的解释.     

新疆哈密砂岩地震波速、各向异性及弹性性质的实验研究

地震波是研究地球内部物质成分和结构最有效的工具之一.鉴于哈密地区油田对砂岩地震波性质研究的需求,本文在室内利用Autolab2000岩石物性测试设备,开展干燥、饱水及饱油条件下,砂岩X、Y、Z三个正交方向的弹性波速测试,得到不同压力下纵横波速随含水饱和度的变化规律,并在不同含水饱和度下分析了动态弹性常数(E和υ).结果表明:(1)波速与压力呈对数关系,相关系数在0.96以上;纵波速度与含水饱和度呈正相关,但随压力的增加,其增加速率会减小;横波速度在低压下基本不受含水饱和度影响,但随压力增加,其与含水饱和度呈负相关.(2)砂岩Z(垂直)方向波速最小;横波各向异性小于纵波;不同压力下,纵横波各向异性都是干燥大于饱油,并皆大于饱水状态.(3)恒定含水饱和度时,杨氏模量和泊松比皆随围压增加而增加,低压下(小于80 MPa,约3 km深度)增加速度快,而高压下(大于80 MPa)增速变缓;相同围压下,泊松比随含水饱和度增加而增加,而杨氏模量则有增有减.     

地震地电阻率阶段性变化特征的物理解释

本文将地震地电阻率阶段性变化划分为六个时期:1.无震期间地电阻率的正常变化;2.早期地电阻率的下降变化;3.近期地电阻率的平缓变化;4.短期地电阻率的快速下降变化;5.临震前地电阻率的回返突跳变化(发震);6.震后地电阻率的调整正常变化.并用构造应力作用下岩体孔隙闭合、缩小—(膨胀)—恢复—水饱和度就地变化的观点解释地震地电阻率阶段性变化特征.     

承压介质电阻率变化的方向性 与主应力的关系

介质电阻率变化的方向性与主应力方向的关系研究一直受到岩石电阻率实验和地震学等学科的关注. 本文在电极面4 cm×8 cm, 6 cm×12 cm, 8 cm×16 cm和4.6 cm×10 cm的10块分别为花岗岩、 凝灰质粗砂岩(夹砾石)和细晶花岗岩标本上及100 cm×100 cm的1块人工合成模型上, 采用对称四极法布设多位置、 多极距、 多方位电阻率测线, 用单轴压缩、 二维约束差应力压缩、 低围压三轴差应力压缩和真三轴差应力压缩方式加载. 其中在单轴压缩和低围压三轴压缩加载方式下, 7块岩石标本中的4块被压破, 3块没有被压破, 只压到电阻率出现明显的下降异常时卸压. 另在上述10块岩石标本中, 还有3块是电阻率原始各向异性标本. 将这样11块标本所获得的多位置、 多极距、 多方位测线电阻率资料, 按从开始加载到破裂的过程, 分成30%附近破裂应力段、 50%附近破裂应力段、 80%附近破裂应力段和100%破裂应力段, 研究同一测点多方位测道中该4个破裂应力段视电阻率变化最大(最小)幅度测线方位与力源最大主压应力方位的关系, 结果未发现二者之间有确定的关系.      

利用注聚合物泥浆伤害岩电实验参数变化评价特低渗透储层

针对鄂尔多斯盆地陕北斜坡长6特低渗透储层受聚合物泥浆伤害,微电极电阻率曲线在渗透层上的正幅度差异不明显,直观指示油气层和水层的深、中,浅探测电阻率在常规储层的有序排列基本消失.通过注聚合物泥浆驱替前后岩石电阻率与孔隙度及含水饱和度实验关系分析,驱替后岩样电阻率显著增大,岩样电阻率随含水饱和度增大而减小的基本规律不复存在.归纳其岩性系数a、电阻率系数b比驱替前大得多,饱和度指数n由正变负,反映出注聚合物泥浆驱替破坏了储层孔隙结构及其基本特征,测井中造成了范围较小的高侵和特高侵地层电阻率带.从而提出在较为致密的低渗砂、致密砂聚合物泥浆伤害储层中,利用微电极负差异及其电阻率曲线不规则增高变化划分特低渗透油层有效厚度,并以实例阐明了利用岩电实验参数变化评价特低渗透储层的方法.     

致密砂岩电学参数的非阿尔奇现象

致密砂岩孔喉细小,孔隙结构和孔隙表面性质复杂.深入理解电学参数变化规律对认识储层孔隙结构和含油气饱和度具有重要意义.本文选取鄂尔多斯盆地上古生界二叠系某致密砂岩气藏18块岩样,采用自吸増水法建立含水饱和度,测定岩样原地有效应力25 MPa下的电学参数,并采用压汞实验分析了岩样孔隙结构.原地有效应力下,致密砂岩的岩性系数a大于1、b小于1,胶结指数m、饱和度指数n均小于2,反映出致密砂岩的次生孔隙类型和片状孔喉特征;渗透率增加,岩性系数b缓慢增加,饱和度指数n主要介于1.0~1.5之间;在对数坐标系中,低含水饱和度阶段,部分岩石电阻率增大系数与含水饱和度的关系线发生弯曲,出现非阿尔奇现象;高含水饱和度阶段,随含水饱和度增加,部分岩石电阻率增大系数与含水饱和度RI-Sw关系线出现饱和度指数降低的非阿尔奇现象.低含水饱和度阶段,岩石孔隙表面的水润湿性是RI-Sw曲线向下弯曲的主要原因;孔喉连通性差、非均质性强的部分水湿岩石的RI-Sw曲线可能向上弯曲;致密砂岩的进汞中值压力高,孔喉非均匀性强,水在岩石中不均匀地分布,含水饱和度大于(70%~90%)后,RI-Sw曲线出现平缓折线,该阶段的n值远小于2.     

中国中强地震前地电阻率中短期异常特征及其可能原因

地电阻率已经发展成为我国地震地球物理场观测的重要方法,通过标示一定区域范围内介质电阻率随时间的变化特征和空间分布,应用于探索地震孕育发生的过程。在50多年的观测过程中,记录到了近百次5～8级地震前的中短期异常和部分强震前的临震变化以及地震发生之后的恢复过程。电阻率是地下介质重要的物性参数,与岩土骨架和裂隙内流体电阻率、裂隙率、裂隙结构以及流体饱和度等因素有关。其中,应力作用导致的微裂隙结构变化是引起电阻率变化的重要因素。已有相关研究分别从岩石物理实验、介质电阻率模型、震例研究等方面讨论了地震前地电阻率变化的可能机理。本文对其中具有代表性的研究结果进行梳理,以“介质变形-电阻率变化”为纽带,将岩石物理实验和电阻率模型给出的细观尺度介质电阻率变化机制与震中周围地电阻率异常变化的宏观现象联系起来,介绍地震晚期孕育阶段地电阻率异常变化的可能原因。地震孕育引起发震断层周围介质变形,由发震断层向外围方向附加变形程度逐渐衰减; 地表浅层介质处于低围压状态,新生微裂隙将大致沿最大主压应力方向扩展,进而引起介质电阻率发生变化; 同一台站不同方向观测的地电阻率呈现出与P轴方位有关的各向异性异常变化,与P轴方向夹角越大的测道异常幅度越大,与P轴方向平行或近于平行的测道异常幅度最小或无异常变化; 地震前挤压变形增强区域地电阻率异常呈现下降变化,相对膨胀区域呈现上升变化或变化不明显。     

Influence of “stress reversal” on rock resistivity during loading procedure

The properties of rock resitivity were studied under pressure, particularly with “stress reversal”, a procedure in which the pressure applied was increased and decreased. It was observed that, 1) With pressure increasing, the main feature of resistivity change was increase-steady-decrease for high-saturation rock samples (saturation 70–100%). But the main feature for low-saturation samples was different. 2) In 10 out of 11 cases of “stress reversal” for high-saturation samples the resistivity droped (about 2%). Such drop could explain the anomalies in geoelectricity terms, which are commonly observed before earthquakes in China. 3) It was also observed shortly before rock failure that, a) the resistivity drops more dramatically (about 20%) during “stress reversal” period, which is much more than ordinary drops. b) these drops occurred not only during stress decrease but also during stress increase. c) Resistivity exhibits anisotropy: the resistivity along different directions may differ by 10%. These three features may indicate that the rock is nearing failure, while ordinary resistivity drops are only connected with “stress reversal” and may not mean the imminence of rock failure. 4) Resistivity increase was observed during the “stress reversal” period for low-saturation rock samples. The results mentioned above were explained with the effect of water flowing in and out of the cracks of rock. The temporary factors which yield a reduction of the maximum main stress, may enhence the possibility of earthquake occurrence.     

单轴压缩下多裂隙含水岩样电阻率变化与体积应变

在单轴压缩下,对经过高温焙烧的含水辉长岩进行了轴向和径向电阻率变化以及体积应变的同时连续测量.结果表明,在完全饱和前的非弹性压缩阶段,电阻率随压应力增高而降低;在完全饱和的弹性压缩阶段,电阻率升高;在非弹性的体积膨胀阶段,电阻率继续上升.从Archie 公式出发,通过近似分析,导出了电阻率变化和体积应变的关系式.实验结果和近似分析定性上相附.本文的主要结果是发现含水岩样在膨胀阶段电阻率的升高,初步认为这是由于热开裂的张开,降低了饱和度的结果.      

水压致裂试验过程中的地电效应研究

本文总结了在水压致裂试验现场多台电法仪器测量和记录到的加压过程中的地电效应,并得到一些能反映岩石破裂情况的有意义的结果:（1）随着压力增加,电阻率明显上升.当压力超过岩石临界应力的一半以后,电阻率即很快地下降,卸压后又逐步回升,其变化椭圆的长轴方向与岩石破裂面的延伸方向是一致的;（2）以压力孔为中心的自然电位及ZK2,ZK14孔的井下电位都伴随着加压过程而变化,强烈反映了过滤电场与孔隙水压力的相关性.      

Some results of modeling D-D seismogenic pattern by the fracture model experiment of large-scale rock samples (I)

Using the natural limestone samples taken from the field with dimension of 500 mm×500 mm×1 000 mm, the D-D (dilatancy-diffusion) seismogeny pattern was modeled under the condition of water injection, which observes the time-space evolutionary features about the relative physics fields of the loaded samples from deformation, formation of microcracks to the occurrence of main rupture. The results of observed apparent resistivity show: 1 The process of the deformation from microcrack to main rupture on the loaded rock sample could be characterized by the precursory spatial-temporal changes in the observation of apparent resistivity; 2 The precursory temporal changes of observation in apparent resistivity could be divided into several stages, and its spatial distribution shows the difference in different parts of the rock sample; 3 Before the main rupture of the rock sample the obvious “tendency anomaly” and “short-term anomaly” were observed, and some of them could be likely considered as the “impending earthquake” anomaly precursor of apparent resistivity. The changes and distribution features of apparent resistivity show that they are intrinsically related to the dilatancy phenomenon of the loaded rock sample. Finally, this paper discusses the mechanism of resistivity change of loaded rock sample theoretically. This subject is supported by the key project during the 8-th “Five Year Plan” from the State Science and Technology Commission of China (85-04-04).     

1.2千巴围压下岩样破裂和摩擦滑动过程中电阻率变化h

在1.2千巴围压下进行了三种初始饱和岩样(辉长岩、花岗岩Ⅰ和Ⅱ,各以淡水和盐水饱和)的压缩实验直至破裂并继续到摩擦滑动,所有实验中测定了岩样电阻率。 以Brace等人研究表面电导的方法为基础,我们引入给定含水岩样的体电阻系数和面电导系数两个专用术语以分析实验结果。发现一旦岩样开始膨胀,其面电导系数随差应力增加都增大。结果表明:含水岩样体膨胀后电阻率下降主要是由于表面电导作用的增强。 和前人的结果不同,不同岩样摩擦滑动时电阻率变化各异。作者提出:这种差异可能与岩石中所含矿物颗粒大小有关。含大颗粒的岩石滑动时电阻率下降,而含小颗粒的岩石滑动时电阻率上升。      

FREQUENCY-DEPENDENT COMPLEX RESISTIVITY OF ROCK-SALT SAMPLES AND RELATED PETROPHYSICAL PARAMETERS1

The presence of water is one of the main concerns of nuclear waste disposal in rock-salt. It can be investigated using electrical properties of the rock. Laboratory measurements of frequency-dependent resistivity and other petrophysical parameters, such as porosity, water content, and specific internal surface area, have been carried out on rock-salt from the Asse mine in Germany, in order to obtain characteristic resistivity responses for the evaluation of geoelectric field methods and to develop new methods for the estimation of the water content and saturation. The laboratory method, on a.c. half-bridge for very high impedances, allows measurements of the resistivity spectrum of rock-salt in the frequency range from 15 Hz to 10 kHz. The saturation of the samples was varied artificially and was approximately 5%, 10%, 20% and 100%. The porosity varies between 0.1% and 0.5%, the water content is approximately 0.05% or less, and the initial saturation is less than 50%. The resistivity ranges from 10 MΩm at the initial saturation down to 1 kΩm for fully saturated samples. In the low-frequency range up to 100 Hz, an Archie-type relationship may be used to estimate the water content of the rock-salt from resistivity measurements. The Archie exponent m is found to be approximately 2. The resistivity is observed to be strongly dependent on frequency. The resistivity decreases with increasing frequency, with a greater decrease for small saturations and vanishing frequency dependence at complete saturation. The relative dielectric constant was found to be 6 ± 1. Saturation dependence was not observed within this error range. The measurements imply that, by measuring resistivity in rock-salt, estimations of water content and saturation, and thus the porosity, can be made in situ. This is particularly important for the safety of nuclear waste disposal in rock-salt.     

原始电阻率各向异性岩石电阻率变化的方向性

在3种非含岩成分造成的岩石原始电阻率各向异性标本(在采集和加工过程中，标本完整性遭 到破坏的标本)，和一种由含岩成分形成的 岩石原始电阻率各向异性标本上，布设多个电极，并将标本用水饱和. 然后用多电极组合法 ，将己布电极组合成不同方向、不同极距的电阻率各向异性测线. 采用单轴压缩、低围压 三 轴压缩和剪切3种加载方式，对标本进行动态电阻率变化实验. 观测标本电阻率随承载力的 变化. 实验结果表明∶对于岩石原始电阻率各向异性标本，在电阻率变化各向异性方面，与 岩石 原始电阻率各向同性标本相似，即∶裂隙和破碎带通过区域的测点，视电阻率变化各向异性 结果好，４种组合求得的４个各向异性主轴方向趋向一致，且与破碎带方向基本吻合；裂隙 和破碎带不经过区域的测点，４个视电阻率变化各向异性主轴方向不一致，或者根本求不出 各向异性解. 这后一种情况，在裂隙面平行测量面时，表现最为明显.     

强震近震中区地电阻率变化速率的各向异性

用归一化月速率方法处理了６次强震前近震中区11个台的地电阻率数据，得到在孕震中短期至短临阶段，与主压应力方向正交（或近于正交）测向的地电阻率下降变化的速率大于平行（或近于平行）主应力方向的变化速率．产生变化速率各向异性的原因可能是:在孕震后期的扩容阶段，裂隙走向沿主压应力方向优势排列，导电流体活动产生真电阻率变化速率的各向异性，表现为地表视电阻率变化速率的各向异性．本文为视电阻率各向异性的实验结果提供了震例支持，物理解释比较清晰，可能成为研究某些强震孕育晚期震源区及其附近地壳应力状态的参考依据．