岩石破裂过程中电阻率变化机理的探讨

受压岩石在破裂过程中,视电阻率会出现明显的变化,其异常形态与实验条件有很大的关系. 实验中对磁铁石英岩样品施加了单轴压缩,岩石的破裂经反复加载和卸载实现,并在岩样的裂隙中注入了食盐溶液. 在实验的各阶段,对样品的主剖面重建出一系列内部真电阻率分布的图像,揭示了介质内的微细结构,从而探讨了视电阻率变化的原因. 实验发现,岩石中裂隙的存在及所含液体的饱和状态,是岩石在主破裂前控制电阻率变化的两个最重要的因素;低应力状态属常态导电过程,孔隙度的变化是主要因素;高应力状态属裂隙表面导电机制,随着破裂面在岩体内部出现,水和孔隙有了完全贯通的平面,多种导电机制都得以发挥作用. 此外,体导电结构的变化在宏观上表现为各向异性和图样有序性的增强.     

岩石电阻率图像及各向异性变化的实验研究

在两组人工样品自由表面以中心点为基准对称布设3条辐射状测线,对样品实施单轴应力加载和卸载后,利用电阻率层析成像方法构建了相应的视电阻率相对变化图像,并计算和绘制了表征裂隙产生和发展速率的视电阻率各向异性系数λ*以及表征裂隙产生和发展方位的各向异性主轴方位角α随应力和深度的变化曲线.结果表明:所有测线所对应的RRC图像均随着应力的变化呈现出相同的变化趋势,即在加载阶段,随着应力的增加,视电阻率相对变化图像中电阻率降低区域逐渐收缩,而电阻率升高区域逐渐扩张,在卸载阶段,随着应力的减小,电阻率降低区域继续收缩,电阻率升高区域继续扩张;样品中的高阻体对其所在部位及附近区域的电阻率增幅有较大影响,而对横越高阻体测线的视电阻率相对变化图像的趋势性变化无影响;对于原始电性为各向异性的样品,随着应力的增加,其各向异性程度降低;裂隙主要在岩样的浅部产生和发展,而在较深部位的裂隙产生和发展的速率相对较低.上述结果有助于解释和理解地震、火山活动和大型地质构造运动引起的视电阻率及其各向异性的变化特征,电阻率层析成像方法可能成为目前地震电阻率观测方法的有益补充.      

用动态岩石电阻率变化各向异性探测岩石破裂前兆和确定主破裂扩展方向

用实验模拟动态岩石的破裂和摩擦滑动过程 ,观测其电阻率变化形态 ,研究电阻率变化与岩石受力的关系 ,国内外的学者曾做过大量实验研究工作 (北京大学地球物理教研室地电组 ,兰州地震大队报室 ,1 978;张同俊 ,1 981 ;陈大元等 ,1 983;赵玉林等 ,1 983;张金铸 ,陆阳泉 ,1 983;张天中等 ,1 985;Brace,Orange,1 968;Kurite,1 986;Teisseyre,1 989) .在实验中 ,学者们发现岩石在受力破裂过程中 ,不光其电阻率形态变化显著 ,而且其方向变化也很明显 .不少学者对电阻率变化的方向性产生了浓厚的兴趣 ,开展了一些这方面的研究工作 . 80年代初 ,陈…     

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.     

岩石电阻率的实验研究

本文首先概述岩石在室内各种受载条件下电阻率的实验研究工作,这对于认识和理解电阻率变化特征、规律以及探索其机理起着重要的作用。但是在实验中主要采用4个固定电极的测量系统,它只能获得从某个深度到岩样表面的整个深度层的视电阻率变化的综合信息,而无法获得不同深度层的视电阻率变化特征,不利于进一步研究电阻率及其各向异性变化的机理。我们利用电阻率层析成像方法获得了多个方向的电阻率数据,据此可以获得随深度变化的电阻率及其各向异性曲线以及随应力变化的电阻率图像,可能为深入理解和研究电阻率变化机理起到积极的帮助。     

水对岩石变形过程中电阻率变化的影响

实验研究表明: 在变形破坏过程中, 干燥砂岩电阻率略有下降, 变化幅度小; 少量含水的砂岩电阻率下降幅度大; 含水量多的砂岩电阻率有下降-上升-下降的变化, 变化幅度又小;而完全水饱和的砂岩除初期电阻率有所下降外, 变化更小。更精确的观察表明: 干燥砂岩, 破裂前电阻率有升高的迹象; 少量含水的样品, 破裂前电阻率单调下降; 含水量较多和水饱和的样品, 破裂前电阻率有先升高后降低的变化。这些有可能给出中短期前兆特征的提示。对电阻率变化的机理给出了解释。     

饱水和排水过程中岩石电阻率各向异性特征的电阻率成像法研究

从电阻率的角度研究岩石裂隙介质的各向异性特征是一种方便而有效的方法,但多限于空间单个点上的测量数据分析.通过在砂岩岩样上的饱水与排水实验以及同步进行的高密度电阻率成像监测,探讨了应用高密度电阻率成像法获得图像研究岩石各向异性特征的可能性,分析了饱水与排水过程中岩石电阻率在不同方向上的响应特性.结果表明,电阻率成像法在分析岩石裂隙介质的各向异性方面具有多方向成像和动态监测的优点,可以通过对不同方向上获得的电阻率图像的分析,提取出岩石沉积结构的空间分布模式,清晰地反映出岩石在饱水和排水过程中电阻率变化空间分布模式的各向异性特征.     

裂缝性岩石低频下复电阻率与饱和度关系研究

储层中裂缝的发育影响着油气运移和储存,因此识别裂缝以及得到裂缝性储层的表征参数与物理性质对于预测天然气的产量有重要的意义.本文主要通过实验和数值模拟研究了低频段（100 Hz~1 MHz）内均质岩样和不同裂缝参数的裂缝性岩样的复电阻率频散特性.利用有限元模拟计算简易岩样模型的复电阻率,研究了完全饱和水状态下均质岩样与裂缝岩样复电阻率频散特性的区别.并重点研究了100 Hz、1 kHz和10 kHz下均质岩样以及不同裂缝宽度、密度、倾角岩样含水饱和度S_W与电阻增大率I_R、含水饱和度S_W与介电常数变化率I_ε的变化关系.实验结果显示完全饱含水的情况下裂缝的出现,使得岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;不同频率（100 Hz、1 kHz和10 kHz）下I_R-S_W曲线发生分离.裂缝密度和裂缝倾角的增加,导致岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;并使得不同频率下的I_R-S_W和I_ε-S_W分离程度变大.讨论了阿尔奇公式中饱和度指数n与系数b以及仿阿尔奇公式中介电饱和度指数n'与系数b'与裂缝参数的关系,说明在高含水饱和度时,导电与介电的幂指数规律基本一致.通过对裂缝性岩石上述参数的研究,为多频复电阻率测井仪的研发提供理论与实验支撑,进而提高裂缝性储层含气性识别以及定量评价含气饱和度的可靠性.

     

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.     

花岗岩压缩带电的实验研究

在单轴压力下用测量微电流方法对花岗岩标本表面的电荷性质进行了实验研究,同时对产生这种表面电荷的可能原因进行了分析.     

电阻率层析成像方法技术近年发展概况

本文对近年来电阻率层析成像在方法技术方面的进展作了简要介绍,并对几种具有代表性的方法,表述了它们各自的优缺点,提出了继续研究的方向。     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE CHANGES OF ULTRASONIC CODA WAVE AND ACOUSTIC EMISSION DURING ROCK LOADING AND DEFORMATION

The coda wave propagation path has received extensive attention as it is more sensitive to small changes in the medium than the direct wave. During the process of loading, the wave velocity, medium or source changes may cause the coda wave to change. The physical mechanism of change in the ultrasonic coda wave varies during different deformation stages. Meanwhile, there exist local damages in the rock sample during the deformation, and it will be accompanied by acoustic emission. Combining the ultrasonic coda wave and acoustic emission is beneficial to characterize the coda wave characteristics and damage degree of the sample at different deformation stages. In this paper, three kinds of rocks, including granodiorite, marble and sandstone with the sizes of 50mm×50mm×150mm, are used to carry out observations of ultrasonic coda wave and acoustic emission during the whole process of loading so as to study characteristics of the coda wave at different deformation stages. The major results are given below: 1)There is a good correspondence between the coda wave variation and the acoustic emission evolution process. When the acoustic emission frequency increases, the coda wave changes accordingly. In particular, the coda wave changes in the early stages of increased acoustic emission frequency, which indicates that the early damage information of rock can be obtained by analysis of the coda wave. 2)The physical mechanism of the coda wave change is different in different deformation stages. At the initial stage of loading, there are obvious scatterer changes in the coda wave change; then, in the linear elastic deformation stage, the wave velocity change is dominating; in the late-stage of loading, the scatterer change increases and coexists with the wave velocity change, the scatterer change effect is related with the rock micro-fracture degree, the rock will locally be damaged before rupturing, and the role of the scatterer will be enhanced. 3)With the increase of loading, the amplitude of increase of the wave velocity generally decreases gradually, which is basically consistent with the understanding obtained through the direct wave. The interference of acoustic emission can be eliminated because of the Kaiser effect when analyzing the coda wave. The consistency of the wave velocity change and stress loading and unloading is further verified. 4)The micro-fracture generated during rock deformation will change the physical mechanism of the coda wave change, and the scatterer effect will be significantly enhanced. At the same time, the acoustic emission waveform will cause interference to the ultrasonic coda wave. This means that attention needs to be paid when analyzing rock damage using only coda wave data. In short, the ultrasonic coda wave and acoustic emission can reflect the damage inside the rock, and the change mechanism of the coda wave in different deformation stages is different. The joint observation of the two can play a mutual verification role, which is conducive to improving the reliability of the observation results.     

节理岩体断裂的分形机理研究

本文在考察了节理化岩体的断裂力学特征的基础上，结合现代分形几何原理，建立起追踪裂纹裂分形模型，对不连续岩体的断裂韧性的分形效应进行了深入研究，并通过压剪试验得到难。     

岩石构造对声发射统计特征的影响

利用一套最新型的全波形、宽动态声发射观测系统,对两种不同构造的花岗岩在三轴压缩变形实验中的声发射活动进行了对比研究。二者在声发射空间分布,声发射与体积扩容的对应关系,声发射频谱特征及频度能级统计参数等方面均有明显差异。这表明,岩石构造对声发射的基本统计特征有显著的控制作用。其原因在于岩石构造的差异造成变形方式和变形过程的不同     

覆岩变形破坏电阻率响应特征的模拟实验研究

地下采矿活动引起上覆岩层移动变形和破坏,对覆岩变形破坏进行监测,可以为采矿设计和安全生产提供可靠的技术保障. 本文从对应于实际地层介质的相似材料物理模型实验出发,探讨了模拟实验的相似条件和可行性,进行了采矿活动不同时期覆岩电阻率特征变化的动态测试,结合实验数据进行反演计算,最后获得覆岩变形破坏与电阻率变化的响应关系. 实验结果表明,覆岩变形和破坏必然造成地层介质电性特征的变化,不同破坏带的破坏程度不同,电阻率变化响应特征不一样,两者是一一对应的. 利用电阻率方法监测覆岩变形和破坏是完全可行的.     

花岗岩压缩带电的实验研究

在单轴压力下用测量微电流方法对花岗岩标本表面的电荷性质进行了实验研究,同时对产生这种表面电荷的可能原因进行了分析.     

利用共轭梯度法的电阻率三维反演研究

利用共轭梯度（ＣＧ）迭代技术,实现了直流电阻率测量数据的三维最小构造反演。 首先,运用共轭梯度迭代算法解反问题的线性方程组,只需求Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵Ｇ与任一向量ｘ的 乘积Ｇｘ及Ｇ^Ｔ与任何一向量ｙ的乘积Ｇ^Ｔｙ,再引入Ｇ的Ｒｏｄｉ算法,则Ｇｘ及Ｇ^Ｔｙ均可在每次反 演迭代中的一次正演计算后一并求得．因此,每次反演迭代仅需一次正演计算,大大加快了 计算速度;而且避免了直接求 Ｇ以及 Ｇ^ＴＧ的逆矩阵,也避免了存储 Ｇ和 Ｇ^ＴＧ所需庞大的存储 量。另外,由于反演参数太多,求模型光滑约束的最小构造反演能够有效地消除多余构造信 息,得到可靠的反演结果。将这３种方法和技术融合于三维反演中,取得了好的反演效果．为 改进传统最小构造反演收敛慢的问题,还提出了一种新的反演迭代技术,仅需１０次左右甚至 更少迭代即可收敛。