频率信号激励下岩石电性参数研究

书书书第２５卷第３期２０１０年６月（页码：９１８～９２５）地　球　物　理　学　进　展ＰＲＯＧＲＥＳＳ　ＩＮ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．２５，Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ２０１０程　辉，底青云，李帝铨．频率信号激励下岩石电性参数研究．地球物理学进展，２０１０，２５（３）：９１８～９２５，ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２９０３．２０１０．０３．０２７．ＣｈｅｎｇＨ，ＤｉＱＹ，ＬｉＤＱ．Ｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｏｃｋｓｂａｓｅｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．犘狉狅犵狉犲狊狊犻狀犌犲狅狆犺狔狊．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ），２０１０，２５（３）：９１８～９２５，ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２９０３．２０１０．０３．０２７．频率信号激励下岩石电性参数研究程　辉，　底青云，　李帝铨（中国科学院地质与地球物理研究所，北京１０００２９）摘　要　物性实验是建立地质与地球物理关系的基础，同时也是对地球物理勘查资料进行合理解释的条件之一．本文通过总结以往的研究工作，对获取不同激发信号下电阻率值的实验装置、应注意的问题和应服从的模型进行分析，并针对ＣｏｌｅＣｏｌｅ模型进行了理论计算与实际模拟电路的物理实验对比研究，提出了未来值得深入研究的几个方面．关键词　物性实验，实验装置，ＣｏｌｅＣｏｌｅ模型，研究方向ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２９０３．２０１０．０３．０２７　　　　中图分类号　Ｐ６３１　　　　　文献标识码　Ａ　　　　　犜犺犲犱犻狊犮狌狊狊犻狅狀犲犾犲犮狋狉犻犮犪犾狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳狉狅犮犽狊犫犪狊犲狅狀犳狉犲狇狌犲狀犮狔狉犲狊狆狅狀狊犲犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊ＣＨＥＮＧＨｕｉ，　ＤＩＱｉｎｇｙｕｎ，　ＬＩＤｉｑｕａｎ（犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犌犲狅犾狅犵狔犪狀犱犌犲狅狆犺狔狊犻犮狊，犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵１００２９，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｓ；ｍｅａｎｗｈｉｌｅｉｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｄａｔａ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｐｒｅｖｉｏｕｓｗｏｒｋ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｓｏｍｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓｔｈａｔｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄａｔｔｅｎｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｓｔｈａｔｓｈｏｕｌｄｂｅｆｏｌｌｏｗｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｄｕｃｅｄｓｉｇｎａｌｓ．ＩｔａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌａｎａｌｏｇｏｕｓｃｉｒｃｕｉｔｔｏｔｈｅＣｏｌｅＣｏｌｅｍｏｄｅｌ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｓｏｍｅａｓｐｅｃｔｓｔｈａｔｄｅｓｅｒｖｅｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＣｏｌｅＣｏｌｅｍｏｄｅｌ，ｓｔｕｄｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎ收稿日期　２００９１１２０；　修回日期　２０１００３２５．基金项目　中国科学院重要方向项目（ＫＺＣＸ２ＹＷ１２１）资助．作者简介　程辉，男，１９７６年生，湖南津市人，现在中国科学院地质与地球物理研究所攻读博士学位，主要从事电磁法方面工作．（Ｅｍａｉｌ：[e-mail]）０　国内外研究现状地下介质的导电模型一直是进行固体地球物理勘查工作关心与研究的内容之一，同时也是一个很复杂的问题，岩（矿）石具有复杂的组成成份和结构，在自然状态下岩石所处的环境复杂，除了温度和压力等环境影响外，岩石的年龄以及埋藏深度都会给理论研究带来难题［１～５］．ＣｏｌｅＣｏｌｅ模型是２０世纪４０年代初期Ｋ．Ｓ．Ｃｏｌｅ和Ｒ．Ｈ．Ｃｏｌｅ研究介质的扩散与吸附问题时，模拟电解质的介电性质时提出，发表在１９４１年Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ上面．Ｗ．Ｈ．Ｐｅｌｔｏｎ将模型借用到勘查地球物理学中．在先后的研究中，先后提出了随频率信号变化下地下介质的导电模型有以下的模型．Ｗａｉｔ（１９５９）；ＷａｒｄａｎｄＦｒａｓｅｒ（１９６７）；ＭａｄｄｅｎａｎｄＣａｎｔｗｅｌｌ（１９６７）；Ｄｉａｓ（１９６８，１９７２）；Ｚｏｎｇｅ（１９７２）；Ｐｅｌｔｏｎ（１９７７）；Ｗａｒｂｕｒｇ（Ｄｉａｓ，１９６８，１９７２，Ｐｅｌｔｏｎ，１９７７）；Ｄｅｂｙｅ，ＣｏｌｅＣｏｌｅ，ＤａｖｉｄｓｏｎＣｏｌｅ，ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＣｏｌｅＣｏｌｅ（Ｐｅｌｔｏｎ，１９７７）；ＭｕｌｔｉＣｏｌｅＣｏｌｅ（Ｐｅｌｔｏｎｅｔａｌ．，１９７８）；Ｗａｎｇ（１９７９）等十余种不同的导电模型［６］．这些导电模型在交变信号下电阻率与介电常数都存在着频散现象，并呈复数存在，无法将实部与虚部进　３期程　辉，等：频率信号激励下岩石电性参数研究行分割；岩石的极化现象是岩石电性参数固有性质之一，与金属颗粒矿物与粘土矿物分布有关．中国地球物理学会于１９８２年１１月在上海召开了第一次岩石物理性质学术讨论会，并出版了《岩石和矿物物理性质论文集》．张赛珍、李英贤、张树椿等学者就我国几个金属矿区岩（矿）石的低频电相位频率特征及其影响因素进行了论述，经过大量的室内标本测定工作，证实了影响岩（矿）石的激电谱参数的主要因素，并从量值上指出了各种因素的可能影响程度，同时以充分的论据论证了矿物成份对谱参数的影响［５］．１９９４年，张赛珍、周季平、李英贤、吴璐苹合著了《岩（矿）石频谱激电特征与结构构造和导电矿物成分》，从矿物的结构构造、导电矿物体积、导电矿物成份多个方面进行了深入的探讨［４］．１９９５年，石昆法、吴璐苹、李英贤等关于储层条下岩石电性参数测定及规律的研究工作，重点进行了高温高压情况下水驱油方面的模拟工作．张宪润进行了谐变电流场中岩（矿）的电性研究，以ＣｏｌｅＣｏｌｅ模型和三弧电极化模型为基础，通过对矿区岩（矿）石标本在一维和三维情况下的三弧电极化特征、二级参数、围岩响应等的观测和计算，探讨了硫化矿、炭质岩及其他一些岩矿石标本在１０－３～１０２范围内的频谱极化特性［５］．陈晦鸣，杨辟元、林天亮等对频率信号激发下进行电阻率测定、测试仪器的选用和注意事项和部分研究成果进行详细的论述［５］．同时，桂林冶金地质学院的海戴媛对露头测定的装置形式及边界影响作了理论上的计算和现场实践，另外，还对岩矿电性参数的统计分布特征、电参数统计值的选取及可信度评价进行了有益的探讨［４］．何继善、徐世浙、罗延钟等人对岩石复电阻率频散特性的机理、导电模型等方面做了深入的研究［１，７～１０］．２００２年李艳华、史歌在实验室条件下，模拟地层条件进行了岩芯电阻率与温度关系的实验研究［１１］．２００８年周新鹏在硕士毕业论文《岩石声电参数测量方法与实验研究》中论述他对１２块标本所测的两种参数，并做了有益的分析工作［１２］．安珊，童茂松，肖占山，柯式镇，范宜仁等针对油田测井中的实际问题进行了关于沉积岩层的大量物理室内实验和数值分析工作，从不同程度上解决了油气测井工作遇到的实际工程问题，但他们所做工作中测试频率都较高，一般的都在几十Ｈｚ以上，很少涉及到更低的频率［１３～１８］．２００９年中国科学院地质与地球物理研究所底青云研究员针对长偶极、大功率、电流源激励条件下，岩石物性参数频率响应的数值模拟与计算工作，通过三维积分方程法计算了“地电离层”大尺度有源场的典型岩石物性的频率响应特征，并给出了不同模型下的关系曲线［１９，２０］．同时，国外一些学者也从不同的角度进行大量的岩石物性研究工作［２１～２７］．Ｔ．Ｊ．Ｋａｔｓｕｂｅ模拟矿脉岩矿石、矿物组合标本、含水岩石标本及固体硫化物３类标本进行电阻率和电抗特性的测试，其结论认为有可能根据复电阻率的频散范围对矿石进行区分．Ｋ．Ｌ．Ｚｏｎｇｅ提出测基波和多个奇次谐波的实分量和虚分量，并把它叫复电阻率法，对不同频率虚、实分量的观测结果用低频分量归一化后，认为有３种类型．Ａ型响应，虚分量随频率的增高而减少，代表强蚀变，硫化物围岩或石墨、粘土；Ｂ型响应，虚分量不随频率变化，一般代表中等蚀变及低黄铁矿化围岩，Ｃ型响应，虚分量随频率的增加而增加，代表弱蚀变岩石、绿泥石或灰岩．Ｗ．Ｈ．Ｐｅｔｌｏｎ则测振幅谱与相位谱，称为频谱激电法，并在１０－２～１０５Ｈｚ频率内，以１ｍ极距进行野外露头相位谱测量，认为引起各种矿物复电阻率谱不同的主要原因是矿物的结构，而不是电化学特性．Ｊ．Ｗａｎｇ认为矿化模型的频率特性除包含有导电颗粒的几何因子的作用外，也包含有颗粒的电化学作用，但两者不好区分．Ｚｏｎｇｅ公司在１９８０推出了以复电阻率为理论基础的仪器设备ＰＤＰ８ＣＲ系统、加拿大凤凰公司Ｖ８多功能地球物理探测系统同样也可以进行复电阻率野外测量工作．ＣａｒｌｏｓＡ．Ｄｉａｓ论述了低频条件下岩石的极化特性，并提出了相应的Ｄｉａｓ模型．犹他大学的佐丹诺夫的研究小组基于岩（矿）石的微结构，利用积分方程法进行了数值计算与实验测定工作．另外还有一部分从事岩（矿）物性研究的学者着眼于弹性波与电阻率两类性质的研究，试图寻找到两者联系的桥梁纽带，进而能通过任意一类岩（矿）石性质而得到另一类性质［３０～３６］．１９６０年Ｂｒｉｓｔｏｗ证明并得出了带裂隙岩石的弹性波与电导率之间的关系式．Ｂｅｒｒｙｍａｎ和Ｍｉｌｔｏｎ（１９８８），Ｇｉｂｉａｎｓｋｙ和Ｔｏｒｑｕａｔｏ（１９９５）证明了岩石交叉性质的重要关系．１９８８年ＢｒｉｔｏＤｏｓＳａｎｔｏｓ等给出了解释测井数据的实例．Ｋａｖｈａｎｏｖ从一维关系拓展到了更高维空间．这些学者在电阻率与其影响因素方面提出了平均法，阿尔奇公式及其变形，ＨＳ模型，自相似模型，ＣＲＩＭ和ＬｉｃｈｔｎｅｃｋｅｒＲｏｔｈｅｒ模型和Ｂａｃｈｕｓ平均等多种分析方法，同时在弹性波方面，学者们提出了平均法，时间平均等式，Ｒａｙｍａｅｒ’ｓ等式，ＨＳ模型，９１９地　球　物　理　学　进　展２５卷　Ｇａｓｓｍａｎｎ速度和Ｂａｃｋｕｓ平均．１　实验装置在室内测定工作中最常用的是四极装置、二极装置，另外还有采用电位法、岩石电阻与标准溶液比较法等方法．１．１　四极装置四极装置一般是指ＡＢ极为供电极，ＭＮ极为测量极测定标本的电阻率．通常在利用稳定的直流电对岩（矿）石电性测定过程中，首先测得岩（矿）石标本的几何尺寸，通过四极装置，按照欧姆定律通过公式ρ＝犞犐．犛犔计算出电阻率．这种通过ＡＢ两端供稳定直流电，在ＭＮ端进行测量的方法，且在小电流情况下，认为岩（矿）石的电压与电流特性是呈线性关系，一般情况下ＡＢ两端所供电流一般不要超过０．２ｍＡ／ｃｍ２，标本的电学特性不会体现半导体性质；在利用交变信号对岩石标本进行电阻率测试时，主要是利用各种具有一定带宽频率的仪器，利用其函数信号发生器作为恒流输出，即ＡＢ两极在标本两端供一定频率的交流电，ＭＮ端读取电阻率的实、虚两分量，并通过供电回路的取样电阻获得供电电流，这样可以通过电阻、电抗和供电电流计算得到阻抗（振幅）、相位等．利用四极装置测定岩样工作时，必须考虑如何选择最佳测量条件、频率和电流、电极与岩样的可靠接触方式、电极材料等问题．１．２　二极装置为减少极化效应的影响和减小电极附近电阻的变化，采用二极法测定电阻率值．同样可以分为直流与交流两种情况．在交流情况下，利用电桥进行二极法测定过程是将岩（矿）标本当成电桥测试中的一条肩接入到电桥的测试端中，通过桥式电路进行精确测量，选定电压与电流值，根据所需要的频段范围对标本进行测试，但要注意杂散电抗的影响，这些杂散电容与电感在不同情况下可能会产生意想不到的后果．