岩石中裂纹孔隙率的实验测定--已经打印
第17卷 第3期(317~321)2001年9月
中国地震
EARTHQUAKERESEARCHINCHINA
Vol.17 No.3Sep.2001
岩石中裂纹孔隙率的实验测定
1)
2)
1)
1)
刘新美 杨玉荣 耿乃光 刘晓红 郝晋升
1)(中国北京100081中国地震局地球物理研究所)2)(中国北京100036中国地震局)
1)
摘要 岩石中的孔隙按形状划分,可以大致分成孔洞和裂纹两类。孔洞的纵横比大,形状近似于球形,它与油气储藏有密切关系。孔洞孔隙度是岩石孔隙度的主要贡献。裂纹纵横比小,形状细长,它所造成的孔隙度是岩石总孔隙度的一小部分。但是岩石中裂纹的存在和裂纹孔隙度的变化,对于岩石的各向异性和S波的分裂有重要的影响。本文利用两类不同形状孔隙对流体静压力的不同响应,利用改变流体静压力的实验对岩石中的裂纹孔隙率进行了测定;实验得到的裂纹孔隙率和岩石裂纹的闭合压力,为了解岩石各向异性、S波分裂以及地壳动力学提供了基础数据。
关键词: 裂纹孔隙率 各向异性 孔隙和孔隙度 裂纹和孔洞
引言
孔隙的概念在岩石力学中是一个十分重要的概念,岩石孔隙率则是岩石的一项重要物理力学性质。在地震机制、地震前兆机理、矿产及石油地质、环境监测与评价、水文及工程地质等地球科学诸多方面的研究中,岩石孔隙率都是一项不可缺少的物性参数(陈2001)。
岩石中的孔隙按形状划分,可大致分成孔洞(pore)和裂纹(crack)两大类。岩石孔隙度也由孔洞孔隙度和裂纹孔隙度两大部分组成。孔洞的纵横比(aspectratio)大,近似于球形,它们与油气储藏有密切关系,孔洞孔隙度是岩石孔隙度的主要贡献。裂纹纵横比小,形状扁平、细长,尽管裂纹孔隙度是岩石孔隙度的一小部分,但它对于岩石的各向异性与S波的分裂有重要的影响(Sangetal.,1996;Barruoletal.,1996;黄晓葛等,1999)。
当围压变化时,裂纹容易被压缩,以至发生闭合。因此,裂纹孔隙率随围压会发生明显的变化。另一方面,由于近于圆形孔洞的体积难于被压缩,因此,孔洞孔隙率随围压变化很小。利用这一特点,可以在实验室利用围压实验测定岩石的裂纹孔隙率。Brace(1965)和Walsh(1965)分别研究了岩石在1GPa压力范围内的压缩特性。Brace指出,岩石的体应变 压力曲线在加压初始阶段的弯曲是由于岩石内部裂纹闭合引起的;Walsh认为有可能应用体应变 压力曲线的弯曲段来测量岩石的裂纹孔隙率;Simmens等(1974)探讨了由岩石体应变 压力曲线弯曲段测量岩石裂纹孔隙率的差应变分析方法。但由于当时1GPa级的高压实验技术仍在实验阶段而未能施行。
70年代末80年代初,我国自行研制了1GPa级高压容器,开展了一系列岩石体应变
4月,于20017。
等,
318
中 国 地 震17卷
压力曲线的实验研究(王耀文等,1981;郝晋升等,1985,1988;耿乃光等,1988),为应用高压实验技术探索岩石裂纹孔隙率的新的测定方法创造了条件。
1 实验方法
1 1 岩石样品的选取
本文选用了有代表性的三类岩石:砂岩、花岗岩和辉长岩。每类岩石又分别选自两个产地。用6种岩石的实验资料来讨论岩石裂纹孔隙率的问题。6种岩石的基本力学性质及代号列于表1。此代号将在图1~图4中应用。
表1
号123456
岩 石小浪底砂岩河口砂岩华阴花岗岩贺兰山花岗岩济南辉长岩阿尔金山辉长岩
密度 (g cm-3)2 622 632 632 613 042 91
岩石样品的基本力学性质
杨氏模量
E(10sMPa)0 710 650 910 861 101 08
泊松比 0 140 120 270 260 300 29
纵波速度
vP(km s)4 623 905 144 806 476 13
横波速度
vS(km s)2 692 562 682 523 663 45
抗压强度
u(MPa)[**************]14
1 2 实验方法
将岩石样品加工成直经为2 5cm,高为5 5cm的圆柱体。样品的两个端面用磨床磨平,其偏离平行的误差在0 01mm以内。在样品的侧面粘贴箔式电阻应变片。将样品包装密封后放入1GPa高压容器中进行加压,并用应变仪测量岩石在静水压下的压缩特性。高压容器的结构图、测量仪器的方框图和样品包装方法参见文献(王耀文等,1981)。加压的最高压力为1 05GPa,加压速率为0 1GPa min。为了消除应变片和粘合剂的压力效应,在相同条件下测量了已知压缩特性的铁试件,从而得校正值进行校正。应变测量的误差为1%;用锰铜丝压力计测量压力,其误差为0 5%。
2 实验结果与分析
2 1 实验结果
将实验所测得的6种岩石在不同压力下的体应变数据列于表2。图1给出了6种岩石的体应变随静水压力变化的曲线。由图1可见: 砂岩的体应变曲线(曲线1,2),当压力在0 4GPa以下时呈弯曲状(即非线性增加),当压力超过0 4GPa后则呈直线(即线性增加); 花岗岩的体应变曲线(曲线3,4),当压力在0 3~0 4GPa以下时呈弯曲状,当压力超过0 3~0 4GPa后呈直线;!图1 6种岩石的体应变 压力曲线Fig.1 Strain pressurecurvesof6kindsofrock
3期刘新美等:岩石中裂纹孔隙率的实验测定
319
岩低压段的实验中,提高应变测量仪的灵敏度后,可以测到在0~0 01GPa的压力范围内,其体应变曲线略呈弯曲状,体应变偏离直线在10以内(图2)。在本文中此偏离量可以忽略不计。2 2 结果分析
图2 济南辉长岩低压段体应变 压力曲线Fig.2 Volumestrain pressurecurveofJi∀nan
gabbroatlowpressuresegment.
表2
代号123456
岩石名称
0 1
小浪底砂岩河口砂岩
华阴花岗岩贺兰山花岗岩济南辉长岩阿尔金山辉长岩
5 607.262 384.501.000.98
0 29.1010.8
4.257.002.001.96
0 414.615.87.0010.44.003.92
0 619.520.29.5012.76.005.88
0 823.824.612.015.08.007.84
1 028.229.014.517.310.09.80
-4
为了便于进一步讨论问题,将图1中代表小浪底砂岩的体应变 压力曲线1单独绘制于图3,并以其为例,讨论由岩石体应变 压力曲线求不同压力下岩石裂纹孔隙率的方法。
-3
!)v(10
不同压力下岩石的体应变
压力p GPa
如上所述,当压力超过0 4GPa后曲线1呈直线,我们将此直线段向下延长与横坐标轴相交于∀0点。如果岩石中没有或几乎没有裂纹状孔隙,像辉长岩那样,体应变曲线始终呈直线,则∀0点与坐标原点重合,∀0的横坐标与原点的差距为零,表示岩石裂纹孔隙率为零。若岩石中有裂纹孔隙,像砂岩这样,体应变曲线低压段呈弯
曲状,则∀0点与坐标原点不重合,∀0的横坐标与原点的差距就是这种岩石在常压下的裂纹孔隙率。随着压力的增加,砂岩体应变曲线低压弯曲段渐渐趋近于上述直线。这一过程反映了砂岩中的裂纹状孔隙随压力增加而逐渐闭合的过程。当压力达到pc(这里为0 4GPa)时,体应变曲线与上
图3 由岩石体应变曲线求不同压力下
岩石裂纹孔隙率图示
Fig.3 Crackporosityunderdifferentpressuresobtainedfromvolume straincureofrocks
述直线重合,这反映了在pc压力下,砂岩中的裂纹状孔隙已完全闭合。我们称pc为岩石裂纹孔隙的闭合压力。∀1、∀2、∀3#则为不同压力下,实测岩石体应变曲线与其高压直线段向下延伸线两线在横坐标上之差距,反映了该压力下岩石的裂纹孔隙率。
320
中 国 地 震17卷
我们用这种方法对2类4种岩石进行了不同压力下裂纹孔隙率的计算结果列于表3。并将这4种岩石的裂纹孔隙率 压力曲线示于图4。
表3
代号1234
岩石名称
小浪底砂岩河口砂岩华阴花岗岩贺兰山花岗岩
6 087 212 055 93
0 12 532 440 932 60
0 21 210 820 201 20
0 30 410 2500 32
0 40000
4种岩石在不同压力下的孔隙率
压力p GPa
∀(10-3)
3 讨论
本实验表明,为了准确地测量不同压力下岩石的裂纹孔隙率,作为基准线的高压直线段的准确测量是
至关重要的。这就要求岩石体应变曲线的测量要尽可能地向高压延伸,也就是说,所施加的压力要远大于岩石的裂纹闭合压力。因此,在实验中,尽管多数岩
图4 4种岩石的孔隙率 压力曲线Fig.4
Porosity pressurecurvesof4kindsofrock
石的裂纹闭合压力在0 4GPa以下,但为了确定0 4GPa以下岩石的裂纹孔隙率,必须把实验压力提高1GPa才能测出准确的基准线。这也正是限制高压法测量岩石孔隙率实用化的关键。本实验研究说明,目
前,1GPa量级的高压岩石力学实验技术已进入实用阶段,用高压法测定岩石的裂纹孔隙率在实用化方面已成为可能了。
本实验还表明,在低压状态的地壳浅部,裂纹的存在可能造成岩石的各向异性,而当流体静压力高于1GPa时,岩石中裂纹被强烈地压缩,岩石实际上会趋于各向同性体了。目前所观测到的地球内部各向异性现象主要集中在地壳、上地幔顶部,这与本文实验结果是相一致的。
本文得到陈参考文献
陈
,黄庭芳,2001.岩石物理学.北京:北京大学出版社,156~159。学术期刊出版社,8~9。
黄晓葛,白武明,1999.地震波各向异性的研究进展,地球物理学进展,14(3),54~65。
郝晋升,刘晓红,李纪汉,1985.华北地区典型岩石在1万巴压力下的密度和弹性波速度的实验研究.地震学报,7(3),276~284。
郝晋升,刘晓红,方亚如,蔡戴恩,李纪汉,耿乃光,1988.西北地区地壳典型岩石高压下的状态参数.第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文集.北京:学术期刊出版社,46~53。
, 厘米2,24(1),耿乃光,郝晋升,李纪汉,1988.岩石高压状态参数实验研究的进展,第一届高温高压岩石力学学术讨论会论文.北京:
院士的指导与帮助,在此表示衷心地感谢。
3期刘新美等:岩石中裂纹孔隙率的实验测定
321
BarruolG.,Kern,H.,1996.Seismicanisotropyandshearwavesplittinginlower crustalandupper mantlerocksfromtheIvreaZone∀s experimentalandcalculateddata.Phys.EarthPlanet.Inter.,95,175~194.
BraceW.F.,1965.Somenewmeasurementsoflinearcompressibilityofrocks.J.Geophys.Res.,70,391~398.
SangX.D.,RichardP.G.,1996.SeismologicalevidencefordifferentialrotationoftheEarth∀sinnercore.Nature,382,221~224.SimmensG.,SiegfriedR.W.,FevesM.,1974.Differentialstrainanalysis:anewmethodforexaminingcracksinrocks.J.Geophys.Res.,79,4383~4385.
WalshJ.B.,1965.Theeffectofcracksonthecompressibilityofrocks.J.Geophys.Res.,70,381~389.
Experimentalmeasurementofcrackporosityinrocks
LiuXinmei YangYurong GengNaiguang
1)
2)
1)
LiuXiaohong HaoJinsheng
1)1)
1)(InstituteofGeophysics,ChinaSeismologicalBureau,Beijing100081,China)2)(ChinaSeismologicalBureau,Beijing100036,China)
Abstract Generally,accordingtotheirshapes,voidofrocksaredividedintotwokinds:poreandcrack.Thepore∃saspectratioislarge;itsshapeissphericalapproximately.Ithascloserelationwithoil gasaccumulationinrocks.Theporeporosityisthemainfactortotherockporosity.Theaspectra tioofcrackissmall;itsshapeislongandthin.Itsporositycomposedasmallpartofthewholerockporosity.Buttheexistenceandvariationofcrackporosityinrockshasimportantinfluenceonanisotro pyandSwavesplittingofrocks.Usingthedifferentresponsesbetweenthetwoshapesofvoidtohydro staticpressureandthechangeofthehydrostaticpressureexperiment,thecrackporosityinrocksisde termined.Thecrackporosityandclosedpressureobtainedbytheexperimentprovidedthebasicdataforunderstandinganisotropyofrocks,Swavesplittingandcrustdynamics.Keywords:Crackporosity Anisotropy Voidandporosity Crackandpore
作者简介:刘新美,女,1953年出生,汉族,中国地震局地球物理研究所副编审。1979年毕业于北京大学地
球物理系地球物理专业。主要从事地震科学学术期刊的编辑出版工作。中国地震学会、中国地球物理学会会员。