《岩石的物理特性》课件

岩石的物理特性了解岩石物理特性对地质工程至关重要课程大纲基本概念1岩石定义与分类物理特性概述2重要性与主要特性各类物理特性3密度、孔隙度、渗透性等工程应用4第一部分岩石基本概念定义组成自然形成的矿物聚合体矿物晶体、非晶质物质和空隙形成过程岩石的定义自然形成非人工合成物质矿物聚合体由一种或多种矿物组成固态地质体岩石的分类沉积岩沉积物压实胶结形成砂岩、石灰岩、页岩等火成岩变质岩岩浆冷却固结形成原岩在高温高压下重结晶花岗岩、玄武岩等岩石循环岩浆作用风化剥蚀形成火成岩形成碎屑物质变质作用沉积作用形成沉积岩第二部分岩石的物理特性概述微观特性矿物组成、结构构造基本特性密度、孔隙度、渗透性力学特性强度、弹性、变形性特殊特性物理特性的重要性工程建设影响基础设计及支护方案资源勘探油气水资源评价的关键参数材料利用决定岩石的工业价值灾害防治主要物理特性列表密度特性孔隙特性渗透特性颗粒密度、块体密孔隙度、孔隙分布渗透系数、渗透率度波速特性纵波速度、横波速度第三部分岩石密度应用价值地球物理勘探、工程评估1测量方法2排水法、浮力法影响因素3矿物组成、孔隙度密度的定义物理定义岩石学意义工程意义单位体积的质量反映岩石的矿物组成影响岩体自重应力通常用表示指示岩石的致密程度与强度性质密切相关g/cm³颗粒密度与块体密度颗粒密度块体密度岩石固体颗粒的密度岩石自然状态的密度不考虑孔隙包含孔隙反映矿物组成工程中常用参数测定粉碎后测量与孔隙度呈负相关影响岩石密度的因素矿物组成含重矿物多则密度大孔隙度孔隙度高则块体密度小含水状态湿度影响表观密度埋藏深度压实程度影响密度不同岩石类型的密度范围

2.5-

3.

31.9-

2.7火成岩沉积岩玄武岩较重，流纹岩较轻石灰岩密度中等，砂岩较轻

2.6-

3.0变质岩片麻岩密度较高密度测量方法直接测量法规则形状样品测量体积和质量排水法不规则样品测量排水体积浮力法测量样品在空气和水中的质量差密度梯度管法适用于小样品观察悬浮位置第四部分岩石孔隙度孔隙度的定义数学定义孔隙体积与总体积之比物理意义岩石储存流体的能力分类标准按孔隙大小、连通性分类原生孔隙与次生孔隙原生孔隙次生孔隙岩石形成时产生岩石形成后发育火成岩气孔、收缩裂隙溶蚀作用溶孔、溶洞沉积岩颗粒间孔隙构造作用裂隙、断层影响孔隙度的因素地质年龄年龄越大，压实越充分埋藏深度深度增加，孔隙减少颗粒形状与分选分选好，孔隙度高胶结物含量胶结物多，孔隙度低不同岩石类型的孔隙度范围1-5%5-30%火成岩沉积岩致密结晶，孔隙度低砂岩、碳酸盐岩孔隙度较高1-10%变质岩重结晶作用降低孔隙度孔隙度测量方法液体饱和法测量干燥和饱和状态质量差气体膨胀法利用波义耳定律计算孔隙体积汞压入法测量孔隙分布和孔隙度扫描法CT三维成像分析孔隙结构第五部分岩石渗透性基本概念应用领域流体通过岩石的能力油气储层评价以渗透系数或渗透率表示地下水资源勘查影响因素孔隙连通性裂隙发育程度渗透性的定义物理定义流体通过多孔介质的能力计量单位达西或毫达西D mD各向异性不同方向渗透性常不同尺度效应样品与岩体渗透性差异大达西定律基本方程₁₂Q=KAh-h/L流量与水力梯度流量与水力梯度成正比流量与截面积流量与截面积成正比流量与长度流量与长度成反比影响渗透性的因素孔隙度孔隙连通性孔隙度高通常渗透性强连通性好渗透性高地应力状态孔隙喉道尺寸受压增大渗透性降低喉道越大渗透性越强不同岩石类型的渗透性范围渗透性测量方法定水头法水头压力恒定变水头法测量水头下降速率气体渗透法利用气体流动特性脉冲衰减法观察压力脉冲衰减第六部分岩石波速基本概念波速类型应用领域弹性波在岩石中传播速度纵波波压缩波地震勘探P反映岩石弹性性质和完整性横波波剪切波岩体质量评价S纵波与横波纵波波横波波PS传播方向与振动方向平行传播方向与振动方向垂直介质体积变化介质形状变化在固、液、气介质中传播只在固体介质中传播速度快，先到达速度慢，后到达影响波速的因素岩石密度密度增加，波速一般增大孔隙度孔隙度增加，波速降低含水饱和度饱和度影响波速度P应力状态压力增加，波速增大不同岩石类型的波速范围波速测量方法超声波法实验室样品测量常用方法声波测井钻井中测量地层波速地震勘探法大尺度地层波速测量跨孔测试法工程地质中现场波速测量第七部分岩石弹性特性弹性概念岩石受力变形与卸载回复能力弹性常数表征岩石弹性变形特性的参数应用领域岩体变形计算、工程设计弹性模量杨氏模量剪切模量E G轴向应力与轴向应变比值剪应力与剪应变比值反映岩石抵抗变形能力反映岩石抵抗剪切能力体积模量K静水压力与体积应变比值反映岩石抵抗体积变化能力泊松比定义物理意义横向应变与纵向应变之比的负值受压变细或受拉变粗的程度反映材料的横向变形特性值越大，侧向变形越显著大多数岩石可由波速计算

0.15-

0.35v=Vp²-2Vs²/2Vp²-2Vs²影响弹性特性的因素矿物组成结构构造石英含量高弹性模量大裂隙降低弹性模量含水状态微观结构含水降低弹性模量结晶度高弹性模量大43不同岩石类型的弹性特性范围20-7010-50火成岩杨氏模量沉积岩杨氏模量GPa GPa玄武岩高，浮岩低石灰岩高，页岩低

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0.35泊松比范围与岩石类型和致密度相关弹性特性测量方法静态测量法单轴三轴压缩试验/动态测量法超声波测速计算应变测量法岩石表面应变计测量回弹法锤回弹值估算Schmidt第八部分岩石强度工程应用隧道支护、边坡稳定性强度类型2抗压、抗拉、抗剪强度影响因素3矿物成分、结构、风化程度抗压强度定义测试方法岩石抵抗压缩破坏的能力单轴压缩试验单位三轴压缩试验MPa强度分级极高强度250MPa高强度100-250MPa中等强度50-100MPa低强度50MPa抗拉强度定义测试方法岩石抵抗拉伸破坏的能力直接拉伸试验测试困难通常为抗压强度的巴西劈裂试验间接测量1/10-1/30岩石的薄弱环节弯曲试验梁弯曲破坏抗剪强度定义莫尔库仑准则参数-岩石抵抗剪切破坏的能内聚力和内摩擦角τ=c+σtanφcφ力测试方法直接剪切、三轴压缩影响岩石强度的因素矿物组成结构构造含水状态硬矿物含量高强度大裂隙降低强度含水降低强度加载速率温度加载速率影响测量强度高温通常降低强度不同岩石类型的强度范围强度测量方法单轴压缩试验巴西劈裂试验最常用的强度测试方法间接测量抗拉强度三轴压缩试验直接剪切试验模拟地下应力状态测量抗剪强度第九部分岩石热学特性研究意义主要参数地热资源开发热容量核废料处置导热系数热膨胀系数影响因素矿物成分温度孔隙度热容量定义影响因素提高单位质量岩石温度度所需热量矿物组成不同矿物热容量不同1单位℃温度温度升高热容量增大J/kg·反映岩石储热能力含水率水的热容量大热传导性定义单位各向异性热量通过岩石传导的能层状岩石热传导性具方W/m·K力向性含水影响水填充孔隙增强热传导热膨胀系数定义单位温度升高度引起的相对长度变化⁻℃110⁶/各向异性应用不同方向膨胀系数可能不同热应力计算、热疲劳分析影响热学特性的因素矿物组成孔隙度石英导热性好孔隙增加导热性降低温度含水状态4温度升高导热性降低水填充提高导热性不同岩石类型的热学特性范围热学特性测量方法膨胀仪法量热法热膨胀系数测量针探法热容量测量分隔棒法瞬态热导率测量稳态热导率测量第十部分岩石电学特性研究意义主要参数电法勘探电阻率矿产资源评价介电常数电磁波速影响因素矿物成分孔隙度含水状态电阻率定义影响因素岩石对电流的阻碍能力矿物组成金属矿物导电性好单位孔隙流体含盐水导电性强Ω·m范围温度温度升高电阻率降低

0.1-10⁵Ω·m介电常数定义含水影响描述材料对电场的响应能力含水增加介电常数显著提高频率依赖性应用测量频率影响介电常数值地质雷达探测参数影响电学特性的因素测量条件频率、温度、压力1孔隙流体2含水量、矿化度孔隙结构孔隙度、连通性岩石成分4矿物组成、含金属矿物不同岩石类型的电学特性范围⁶⁴10³-1010-104-15火成岩电阻率沉积岩电阻率常见岩石介电常数Ω·mΩ·m非风化状态下高电阻受孔隙流体影响大含水状态下可达25-30电学特性测量方法总结岩石物理特性的工程应用水利工程隧道工程油气开发大坝基础稳定性评估围岩分类与支护设计储层评价与增产方案问题与讨论测试难点综合应用新技术样品代表性与尺度效应多参数关联分析数字岩心技术发展交流合作欢迎分享研究经验。