岩石物理学及岩石性质

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：①滑石，②石膏，③方解石，④磷灰石，⑤萤石，⑥正长石，⑦石英，⑧黄玉，⑨刚玉，⑩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FeS2（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Fe2O3。磁铁矿Fe3O4或FeO·Fe2O3。褐铁矿FeO（OH）·nH2O。软锰矿MnO2。铝土矿Al2O3·nH2O石英SiO2（4）含氧盐类矿物：正长石K[AlSi3O8]或K2O·Al2O3·6SiO2。斜长石橄榄石（Mg，Fe）2[SiO4]。辉石（Ca，Na）(Mg，Fe，Al)[(Si，Al)2O6]。角闪石Ca2Na(Mg，Fe)4（Al，Fe）[(Si，Al)4O11]2[OH]2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，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。（4）电性地球物理勘探中常用的岩石电性参数有电导率σ或电阻率ρ，电容率ε和极化率η。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（ρ≈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（ρ≈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（ρ106欧姆·米）。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ε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(ξv)的增加，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。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。