岩石裂隙电学谱纹特征的实验研究

论文摘要

岩石裂隙属于岩体中较低的构造层次,同样控制着岩体工程的稳定性,与地下流体的流动和运移、油气的储藏等也息息相关,因此对岩石裂隙的研究具有重大的意义。目前岩石裂隙测试方法主要有直接识别法、地球物理方法、构造物理模拟、声频谱检测和人工智能技术等等。但由于岩石裂隙成因的复杂性、控制和影响的多因素性、形成和发育的随机性和分布的高度非均质性,给裂隙的研究带来极大的困难,所以已有的研究方法存在各自的缺陷和局限,裂隙的分布规律还未得到十分清晰的认识。水溶液在岩石裂隙中的存在,为带电离子定向流动提供了通道。进行岩石电学性质的研究,可以借助微小的离子物质,携带走有关裂隙结构的信息。在前人对岩石电学性质研究和应用的基础上,为了找到有关裂隙方面的参数,本文对含水岩石进行了电学谱纹测试的实验研究。建立了变频交流测试系统,对安山岩、凝灰岩、流纹岩、大理岩、片岩、灰岩等九类四十三块岩石在50Hz至600kHz频段范围内实现了无激发极化岩石电阻测试,取得岩石裂隙电阻R按交流频率f排列的测试谱结果,每一个岩石试件布置多条不同方位测线,其测试谱线集中绘在一个图形中,形成岩石裂隙电阻谱线族,即谱纹。从典型谱纹符号特征、各谱曲线的相关性和裂隙对频率的敏感性三个方面进行谱纹特征的分析,得到：岩石裂隙的电阻随着频率的增大有两种情形,一是随着频率的增大,岩石电阻先减小后增大,二是随着频率的增大,岩石电阻一直减小,根据增大或减小的速度和幅度不同,提取出十二种典型谱纹图形符号；同一试件电学谱纹形状与测线的长短和方位无关,但各谱曲线为各向异性；主要矿物为片状,且呈定向排列的岩石,其电学谱纹的各条谱曲线也呈定向排列。建立并联电路模型,利用级数的展开和变量代换将电路阻抗模转换为多项式表达式,所得表达式与对实验数据拟合分析得到的表达式相对应,说明所用组合电路模型能很好地表达岩石裂隙电阻的变频特性。所取得的岩石裂隙典型电学谱纹符号,可用于识别不同岩石裂隙群体特征,为岩石裂隙的检测和比对提供了新的方法；该研究将电学参数与岩石裂隙参数结合起来,为利用电学参数表达岩石裂隙的几何参数奠定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状与分析
• 1.2.1 岩石裂隙测试技术的研究
• 1.2.2 岩石电学性质的研究与应用
• 1.3 论文的研究方法及拟解决的关键问题
• 1.4 论文研究的主要内容
• 本章小结
• 第2章 岩石裂隙与电学谱纹关系的理论基础
• 2.1 岩石裂隙赋存特征
• 2.1.1 岩石裂隙的分类及存在特征
• 2.1.2 岩石裂隙的几何学参数
• 2.2 岩石的基本电学性质
• 2.2.1 岩石电学性质基础
• 2.2.2 岩石的极化
• 2.2.3 介电常数和电阻率
• 2.3 岩石裂隙电学谱纹的研究基础
• 2.3.1 岩石电阻与裂隙的相关性
• 2.3.2 岩石电阻率影响因素
• 2.3.3 岩石的物性测试与电镜分析
• 2.3.4 实验测试基础与测试条件
• 本章小结
• 第3章 岩石裂隙电学谱纹测试系统建立
• 3.1 谱纹测试方法
• 3.2 测试系统构成
• 3.3 岩石试件采集与加工
• 3.3.1 岩石类型与其基本特征
• 3.3.2 岩石试件加工过程
• 3.3.3 岩石试件描述
• 3.4 岩石电学谱纹测试电路
• 本章小结
• 第4章 岩石裂隙电学谱纹测试
• 4.1 电学谱纹测试
• 4.1.1 有效频带宽度的选取
• 4.1.2 岩石电阻的计算
• 4.1.3 电学谱纹的制作
• 4.2 火成岩的电学谱纹
• 4.3 变质岩的电学谱纹
• 4.4 沉积岩的电学谱纹
• 4.5 岩石电学谱纹特征
• 4.5.1 电学谱纹形状
• 4.5.2 各条谱曲线的相关性
• 4.5.3 频率敏感性
• 本章小结
• 第5章 岩石裂隙电学谱纹的测试机理分析
• 5.1 岩石裂隙电学谱纹的测试机理
• 5.1.1 阻抗、容抗对谱纹形态的影响
• 5.1.2 岩石的阻抗特性
• 5.1.3 岩石裂隙电容
• 5.2 电学谱纹的等效电路模型
• 5.3 理论分析
• 5.4 实验结果拟合
• 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 应用前景展望
• 6.3 进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢