地球物理專業巖石物理實驗教學實踐

鄭 晶， 陳 瓊,2， 裴爍瑾

(1. 中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，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

地球物理學作為地球科學中的重要成員，通過獲得與探測目標相關的物理場信息，實現對地下物質的物理性質和幾何結構的探測，是地質勘查關鍵的核心技術之一，在地質工作中發揮著不可替代的作用[1]。隨著電子技術、計算機技術的發展，實驗教學在本世紀的教學中起到越來越重要的作用[2-7]。結合實驗教學，對地球物理學的知識進行教學，可以讓學生對地質構造、礦產資源特征等知識的認識更為深入，提高教學效果，因此實驗教學已成為地球物理專業教學中不可或缺的重要教學手段[8]。

作為煤炭類高校，中國礦業大學(北京)的地球物理學主要圍繞“煤礦采區的地震勘探技術與方法”開展教學工作，重點結合地震勘探技術與方法進行本科教學成為本校本專業的一大特色，為了激發學生的學習熱情，提高教學效果，各主干課程都開展了相關的實驗設計和教學實踐[9]。作為建立地層巖石物理性質與彈性波參數之間關系的巖石物理學就成為了本校地球物理學重要的專業課程，該課程的教學目標是從地下巖石的巖石物理特性講解入手，引導學生建立物理性質與地震響應之間的關系[10-11]。而獲取巖石物理參數主要方法則是實驗測試法[12-14]，為了將理論和實際聯系起來，并提高學生的學習興趣，實驗教學環節的作用十分重要。圍繞地震勘探開展的巖石物理實驗教學，則是利用地震波在巖石中的縱橫波速度等參數與巖石物理性質密切相關這一理論基礎開展的。

為了加強學生對課堂基礎知識的理解、培養學生動手能力、提高學生的專業素養，本校從美國科羅拉多礦院引入其自制的巖石物理實驗設備，進行巖石物理實驗教學，并根據我校地球物理專業的本科培養目標，設計了巖石物理實驗教學，闡述其原理、實驗步驟、數據分析等內容。

1 實驗原理及測試系統

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

實驗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，滲透率的測量則采用標準空氣滲透儀來完成。獲得物性參數后，則將該樣品放入如圖1所示的巖石物理測試系統中，并結合相關理論對彈性參數進行測量和分析。

2 巖石物理實驗設計

2.1 實驗內容及步驟

低頻巖石物理實驗包括巖樣制作、物性參數測量、巖樣測試等內容。對巖樣進行測試后，還需對實驗數據進行分析計算，才能獲得彈性參數。

圖1 巖石物理測量系統

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

(2) 巖樣預加工。對巖樣洗油、洗鹽后得到待測樣品，也可對巖樣進行進一步加工，得到干燥或者流體飽和巖樣。

(3) 物性參數測量。需測量的物性參數主要包括密度、孔隙率和滲透率等。

(4) 粘貼應變片。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，等待風干。在薄膜橫、縱向粘貼應變片，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橫向和一個縱向的應變片。應變片隨著被測定物的應變一起伸縮，通過應變片可以分別測量得到樣品在橫、縱向的應變量。

(a) 示意圖(b) 實物圖

圖2 實驗室制作的巖石樣品

(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。完成后等待風干。風干后，撕去可移除膠，記錄巖樣和鋁塊上各應變片位置。實驗過程中，學生需用萬能表測試各線路的連通性。

(6) 測試巖樣。實驗儀器有12個通道，可以記錄12個數據。實驗中低頻測試系統提供一定頻率使電機震動，震動巖樣和標準鋁塊產生應力，利用電橋平衡原理記錄振幅變化，并通過通道傳回主機，可以根據實驗目的更換通道傳送不同的振幅值，并對振幅變化的波形數據進行記錄。

針對要測試的樣品選擇應變片進行測試，將應變片分別粘合在砂巖樣品和用于標定的標準鋁塊表面。

當樣品測試時測試頻率范圍為3～3 000 Hz，將頻譜分成了14個頻段，如圖3所示頻率段一般以指數形式分段。測試時，給電動機一定值的頻率信號，利用電動機震動模擬震源，分別采集在樣品和標定鋁塊上的振幅數據，記錄不同頻率信號下樣品在縱向和橫向上產生的振幅變化，以及鋁塊在縱向上產生的振幅變化。

圖3 實驗測試的頻率段分布

2.2 彈性參數計算

實驗在3～3 000 Hz的頻率范圍內進行，測得的形變用來計算樣品的體積模量和剪切模量，再根據體積模量和剪切模量以及巖石的密度計算波速[11]。

表2為實驗得到的某巖樣巖石物理測試時的實測振幅值。

表2 某巖樣和鋁塊的實測振幅值

由表2可計算出鋁塊和巖石產生的應變，包括巖石縱向、橫向和鋁塊縱向上的應變：

(1)

式中：A為振幅值；B為增益值；C為通道數；GF為應變片的應變值；U為實測電壓。

實驗以已知參數的鋁塊為標準來計算樣品所受應力：

σ=E×ε

(2)

式中：E為鋁的彈性模量，ε為鋁在縱向產生的應變。利用式(2)所得的應力σ，結合樣品縱向發生的應變，可以計算出巖石樣品的彈性模量：

E=σ/ε

(3)

根據計算的橫向、縱向應變量計算泊松比:

ν=ε2/ε1

(4)

計算得到巖樣的彈性模量、泊松比后可以根據彈性常數之間的計算方法[12]計算巖樣的其他參數，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數據進行處理計算后得到的縱、橫波速度值。可以進一步引導學生分析不同頻率下，橫、縱波速度的變化量及其變化規律。通過巖樣加壓實驗，得到速度隨壓力的變化規律，進一步引導學生分析其原因，鍛煉學生的思維，促進理論教學與實際應用結合。

圖4 縱波速度與橫波速度

3 結 語

為了能夠讓學生深入分析地下巖石的物性參數與地震波傳播規律之間的聯系，利用巖石物理測量系統讓學生對巖石的物性及彈性參數進行測量，并引導學生對數據進行分析，不僅有助于培養學生的學習興趣，使得該門課程的教學不再是照本宣科，而是可以讓學生更為直觀地認識巖石物理性質與地震波彈性參數之間的關系，進而幫助學生更為深刻地理解地震波傳播規律。實驗的開展，不僅加強了學生對課堂基礎知識的理解，激發學生的學習興趣，而且有效地提高了學生的動手能力和綜合素質。

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