地球物理專業(yè)巖石物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

鄭 晶， 陳 瓊,2， 裴爍瑾

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083； 2. 南京市測繪勘察研究院股份有限公司，南京 210019)

0 引 言

地球物理學(xué)作為地球科學(xué)中的重要成員，通過獲得與探測目標(biāo)相關(guān)的物理場信息，實(shí)現(xiàn)對地下物質(zhì)的物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)的探測，是地質(zhì)勘查關(guān)鍵的核心技術(shù)之一，在地質(zhì)工作中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本世紀(jì)的教學(xué)中起到越來越重要的作用[2-7]。結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對地球物理學(xué)的知識進(jìn)行教學(xué)，可以讓學(xué)生對地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)資源特征等知識的認(rèn)識更為深入，提高教學(xué)效果，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為地球物理專業(yè)教學(xué)中不可或缺的重要教學(xué)手段[8]。

作為煤炭類高校，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)的地球物理學(xué)主要圍繞“煤礦采區(qū)的地震勘探技術(shù)與方法”開展教學(xué)工作，重點(diǎn)結(jié)合地震勘探技術(shù)與方法進(jìn)行本科教學(xué)成為本校本專業(yè)的一大特色，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)效果，各主干課程都開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐[9]。作為建立地層巖石物理性質(zhì)與彈性波參數(shù)之間關(guān)系的巖石物理學(xué)就成為了本校地球物理學(xué)重要的專業(yè)課程，該課程的教學(xué)目標(biāo)是從地下巖石的巖石物理特性講解入手，引導(dǎo)學(xué)生建立物理性質(zhì)與地震響應(yīng)之間的關(guān)系[10-11]。而獲取巖石物理參數(shù)主要方法則是實(shí)驗(yàn)測試法[12-14]，為了將理論和實(shí)際聯(lián)系起來，并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的作用十分重要。圍繞地震勘探開展的巖石物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，則是利用地震波在巖石中的縱橫波速度等參數(shù)與巖石物理性質(zhì)密切相關(guān)這一理論基礎(chǔ)開展的。

為了加強(qiáng)學(xué)生對課堂基礎(chǔ)知識的理解、培養(yǎng)學(xué)生動手能力、提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，本校從美國科羅拉多礦院引入其自制的巖石物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行巖石物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并根據(jù)我校地球物理專業(yè)的本科培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了巖石物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，闡述其原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。

1 實(shí)驗(yàn)原理及測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室中測試巖石彈性參數(shù)的方法有很多，如超聲脈沖(反射或透射)方法、共振法(自由震動、共振及強(qiáng)迫共振)方法、干涉法(相位比較與脈沖迭加)方法及應(yīng)力-應(yīng)變方法。其中超聲脈沖與干涉方法均屬高頻測試方法。共振法與應(yīng)力-應(yīng)變方法可以測量得到低頻條件下巖石波速與衰減參數(shù)。對煤層等儲層進(jìn)行地震勘探時(shí)，地震波往往處于低頻波段，為了獲取更為真實(shí)的彈性參數(shù)，引進(jìn)了美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的巖石物理測試系統(tǒng)對采集的巖石樣品進(jìn)行了測試，測試頻率范圍覆蓋了3～3 000 Hz的范圍。

實(shí)驗(yàn)要求樣品制成直徑為25 mm，長度為50 mm的圓柱體，并通過阿基米德原理測得巖石的密度和孔隙率等物性參數(shù)，滲透率的測量則采用標(biāo)準(zhǔn)空氣滲透儀來完成。獲得物性參數(shù)后，則將該樣品放入如圖1所示的巖石物理測試系統(tǒng)中，并結(jié)合相關(guān)理論對彈性參數(shù)進(jìn)行測量和分析。

2 巖石物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

低頻巖石物理實(shí)驗(yàn)包括巖樣制作、物性參數(shù)測量、巖樣測試等內(nèi)容。對巖樣進(jìn)行測試后，還需對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，才能獲得彈性參數(shù)。

圖1 巖石物理測量系統(tǒng)

(1) 巖樣鉆取。對地下巖石進(jìn)行鉆取，并對其進(jìn)行加工，使得樣品直徑為25 mm，長度50 mm。

(2) 巖樣預(yù)加工。對巖樣洗油、洗鹽后得到待測樣品，也可對巖樣進(jìn)行進(jìn)一步加工，得到干燥或者流體飽和巖樣。

(3) 物性參數(shù)測量。需測量的物性參數(shù)主要包括密度、孔隙率和滲透率等。

(4) 粘貼應(yīng)變片。用AB膠在巖石樣品中心粘貼棕色透明薄膜，均勻按壓至沒有氣泡，等待風(fēng)干。在薄膜橫、縱向粘貼應(yīng)變片，粘貼位置見圖2(a)，圖2(b)中是在某樣品上分別粘貼了一個(gè)橫向和一個(gè)縱向的應(yīng)變片。應(yīng)變片隨著被測定物的應(yīng)變一起伸縮，通過應(yīng)變片可以分別測量得到樣品在橫、縱向的應(yīng)變量。

(a) 示意圖(b) 實(shí)物圖

圖2 實(shí)驗(yàn)室制作的巖石樣品

(5) 連接鋁塊。取適量可移除膠布遮蓋裸露的巖石以及應(yīng)變片粘貼處以及鋁塊末端，使薄膜與鋁塊接觸處以及巖樣保持干凈。擠適量AB膠置于鋁塊以及巖樣接觸面。完成后等待風(fēng)干。風(fēng)干后，撕去可移除膠，記錄巖樣和鋁塊上各應(yīng)變片位置。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需用萬能表測試各線路的連通性。

(6) 測試巖樣。實(shí)驗(yàn)儀器有12個(gè)通道，可以記錄12個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中低頻測試系統(tǒng)提供一定頻率使電機(jī)震動，震動巖樣和標(biāo)準(zhǔn)鋁塊產(chǎn)生應(yīng)力，利用電橋平衡原理記錄振幅變化，并通過通道傳回主機(jī)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康母鼡Q通道傳送不同的振幅值，并對振幅變化的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

針對要測試的樣品選擇應(yīng)變片進(jìn)行測試，將應(yīng)變片分別粘合在砂巖樣品和用于標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)鋁塊表面。

當(dāng)樣品測試時(shí)測試頻率范圍為3～3 000 Hz，將頻譜分成了14個(gè)頻段，如圖3所示頻率段一般以指數(shù)形式分段。測試時(shí)，給電動機(jī)一定值的頻率信號，利用電動機(jī)震動模擬震源，分別采集在樣品和標(biāo)定鋁塊上的振幅數(shù)據(jù)，記錄不同頻率信號下樣品在縱向和橫向上產(chǎn)生的振幅變化，以及鋁塊在縱向上產(chǎn)生的振幅變化。

圖3 實(shí)驗(yàn)測試的頻率段分布

2.2 彈性參數(shù)計(jì)算

實(shí)驗(yàn)在3～3 000 Hz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，測得的形變用來計(jì)算樣品的體積模量和剪切模量，再根據(jù)體積模量和剪切模量以及巖石的密度計(jì)算波速[11]。

表2為實(shí)驗(yàn)得到的某巖樣巖石物理測試時(shí)的實(shí)測振幅值。

表2 某巖樣和鋁塊的實(shí)測振幅值

由表2可計(jì)算出鋁塊和巖石產(chǎn)生的應(yīng)變，包括巖石縱向、橫向和鋁塊縱向上的應(yīng)變：

(1)

式中：A為振幅值；B為增益值；C為通道數(shù)；GF為應(yīng)變片的應(yīng)變值；U為實(shí)測電壓。

實(shí)驗(yàn)以已知參數(shù)的鋁塊為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算樣品所受應(yīng)力：

σ=E×ε

(2)

式中：E為鋁的彈性模量，ε為鋁在縱向產(chǎn)生的應(yīng)變。利用式(2)所得的應(yīng)力σ，結(jié)合樣品縱向發(fā)生的應(yīng)變，可以計(jì)算出巖石樣品的彈性模量：

E=σ/ε

(3)

根據(jù)計(jì)算的橫向、縱向應(yīng)變量計(jì)算泊松比:

ν=ε2/ε1

(4)

計(jì)算得到巖樣的彈性模量、泊松比后可以根據(jù)彈性常數(shù)之間的計(jì)算方法[12]計(jì)算巖樣的其他參數(shù)，包括體積模量、剪切模量和縱、橫波速度等。圖4所示為對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算后得到的縱、橫波速度值。可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析不同頻率下，橫、縱波速度的變化量及其變化規(guī)律。通過巖樣加壓實(shí)驗(yàn)，得到速度隨壓力的變化規(guī)律，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析其原因，鍛煉學(xué)生的思維，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合。

圖4 縱波速度與橫波速度

3 結(jié) 語

為了能夠讓學(xué)生深入分析地下巖石的物性參數(shù)與地震波傳播規(guī)律之間的聯(lián)系，利用巖石物理測量系統(tǒng)讓學(xué)生對巖石的物性及彈性參數(shù)進(jìn)行測量，并引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得該門課程的教學(xué)不再是照本宣科，而是可以讓學(xué)生更為直觀地認(rèn)識巖石物理性質(zhì)與地震波彈性參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而幫助學(xué)生更為深刻地理解地震波傳播規(guī)律。實(shí)驗(yàn)的開展，不僅加強(qiáng)了學(xué)生對課堂基礎(chǔ)知識的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有效地提高了學(xué)生的動手能力和綜合素質(zhì)。

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