第1章 岩石及其基本特征
地球科学的研究对象就是我们赖以生存的地球。地球表面松软沉积层以下均由固化的岩石构成。地球表面的山川、高原、盆地都由岩石所支撑；地震、滑坡、崩塌等自然灾害和工程建设中的岩爆、塌方等破坏，都是不同岩石在不同环境条件下发生的突变；目前支撑人类生产生活所需要的化石能源均采自岩石；大量清洁的水和极富潜能的地热能源也储存于岩石中。岩石是人类生存和发展所需大量物资的来源，也是探求地下深处奥秘的*重要的载体。
1.1 岩石的结构特征与成因
1.1.1 岩石的成分
岩石由一种或多种矿物组成。
1.1.1.1 矿物
矿物是天然产出的、一般以固态形式存在的单质或化合物，具有确定的或者一定范围内变化的化学成分和分子结构，一般由无机作用形成。换言之，矿物是具有确定成分和晶形的天然均质固体。自然界中存在5000多种矿物，并且每年都有新的矿物被发现和命名。但常见的矿物仅有数十种，*常见的矿物有石英、长石（含多个变种）、橄榄石、云母、角闪石、辉石、方解石、黄铁矿和磁铁矿等。
常见矿物可以根据其化学成分划分为六大类。
（1）氧化物矿物，如石英（quartz， SiO2）、磁铁矿（magnetite， Fe3O4）、赤铁矿（hematite， Fe2O3）等。
（2）硫化物矿物，如黄铁矿（pyrite， FeS2）、闪锌矿（sphalerite， ZnS）、方铅矿（galena， PbS）等。
（3）碳酸盐矿物，如方解石（calcite， CaCO3）、白云石（dolomite， CaMg (CO3)2）等。
（4）硫酸盐矿物，如石膏（gypsum， CaSO4 2H2O）。
（5）硅酸盐矿物，如橄榄石（olivine， (Mg， Fe)2SiO4）、钠长石（albite， Na (AlSi3O8)）、钾长石（potassium feldspar， K(AlSi3O8)）、辉石（pyroxene）、角闪石（hornblende）、白云母（muscovite， KAl2[AlSi3O10](OH， F)2）、黑云母（biotite， K(Mg， Fe)3 [AlSi3O10](OH)2）、高岭石（kaolinite， Al4[Si4O10](OH)8）等。
（6）氟化物矿物，如萤石（fluorite， CaF2）。
已知橄榄石是地幔的主要成分，上述其他矿物多为地壳中的矿物。根据这些矿物的化学表达式，可以确定地壳中占比*高的元素分别是O（约46%）和Si（约28%），其余元素Al、Fe、Ca、Mg、K、Na等共约占26%；而地幔中占比*高的元素分别为O（44%）、Mg（22.8%）和Si（21%），其余元素Al、Fe、Ca、K、Na等仅占12.2%。
在学习矿物学时，多采用颜色、形状（晶体形态）、断面纹理、密度、硬度、光泽等参数进行描述，这些参数也可称为矿物的物理性质，但属于矿物表观特征，是矿物鉴别的基本参数。而与岩石的物理性质相关的矿物物理特征则主要包括矿物的弹性特征、塑性特征（晶体位错）、声学特征（波速）、导电性、导热性和磁性特征等，这些性质也是矿物物理学研究的核心内容。
大部分矿物的晶体结构存在特定方向的对称面，导致其物理参数在不同方向存在差异（称为各向异性）。例如，完全各向同性弹性介质只存在两个*立的弹性参数，而对于各向异性的矿物，则需要用更多的参数才能准确描述；同样，由于矿物晶体结构面的存在，其发生塑性变形时，更容易沿结构面发生位错；其他物理参数也容易受到结晶方向的影响。不过，巨大的自形晶体在自然界中占比极小，多数情况下，即使是纯矿物体，也包含不同方向晶体的集合。因此可以用不同方向物理参数的平均值表示矿物的物理性质，见表1-1。
表1-1 一些造岩矿物常温常压下的密度、弹性参数和波速测量值（Sch？n，2015，整理）
注：K为体积模量；μ为剪切模量；为泊松比；vp和vs分别为P波和S波速度。
1.1.1.2 矿物集合体
由一种或几种造岩矿物在自然条件下经过各种地质作用形成的坚硬固体称为岩石，其中不同矿物组分及结构反映了其形成环境。岩石具有其特定的比重、孔隙度、抗压强度等物理性质。这些物理性质取决于造岩矿物的成分、所占百分比、分布状态、胶结物成分及胶结厚度，以及固体颗粒和胶结物以外的孔隙和裂隙。
不同于矿物具有确定的化学成分和结构，岩石中所含矿物成分和比例不确定且极具变化，因此不存在确定的分子表达式。另外，矿物多以晶体形式存在，矿物晶体为完整的固体；而岩石中不同矿物颗粒之间往往存在孔隙，同时构造运动使得岩石破裂，形成不同尺度的裂隙。因此岩石中总是存在大量孔隙和裂隙，且其中可能充填水、油或气体。这些充填的流体使得岩石整体的物理性质发生明显变化，这正是岩石物理学需要研究的内容。
1.1.2 岩石的分类及成因
一般将岩石划分为三大类，即火成岩、沉积岩和变质岩。
1.1.2.1 火成岩
火成岩（igneous rock）指地下高温导致原始岩石熔融后再冷凝形成的岩石，约占地壳总体积的65%，也称为岩浆岩。熔融的物质称为岩浆（magma）。岩石在含水的条件下，从大约650℃开始发生熔融，随着温度升高而熔融比例增大。随着熔融比例增大，岩石的流动性增强。岩浆流动到地下一定部位后会逐步冷凝、结晶，重新形成的岩石称为侵入岩（intrusive rock）；而熔融的岩浆喷发或溢出到地表后冷却形成的岩石为喷出岩（extrusive rock）。
不同成分比例的岩浆导致形成不同的岩石。岩浆中的主要化学元素为O、Si、Al、Ca、K、Na、Mg和Ti，主要以硅和金属氧化物的形式存在，其中SiO2的含量*高。火成岩中的SiO2被称为酸性组分，根据SiO2含量可以将火成岩分为超基性（SiO2含量＜45%）、基性（SiO2含量45%～52%）、中性（SiO2含量52%～65%）和酸性（SiO2含量＞65%）四大类。
从超基性到酸性的岩浆都能够以侵入或喷出的形式成岩，形成8种典型的火成岩类型，见表1-2。不同类型火成岩中具体成分、矿物粒度的差异造成其物理性质也差异明显。
表1-2 8种主要火成岩类型
1.1.2.2 沉积岩
沉积岩（sedimentary rock）指在外力作用下形成的岩石。外力作用是指以太阳能、日月引力能及势能为能源，通过大气、流水、生物引起的地质作用；与之相对，以地球内部热为能源、主要发生于地球内部的地质作用称为内力作用。沉积岩形成于低温低压环境，一般具有成层性。
沉积岩所占体积明显小于火成岩，但在地壳表层分布*为广泛，覆盖了大约75%的陆地面积和近乎100%的海洋面积，平均厚度在陆地为2 km、在海洋为1 km。
沉积岩一般可以分为碎屑岩和化学岩两大类。碎屑岩主要有砾岩、砂岩、泥岩和页岩等，化学岩包括石灰岩、白云岩、硅质岩等。由于物质来源、形成条件、成岩环境等因素的影响，沉积岩具有比火成岩更复杂的类型和物性特征，可以从以下几方面进行分析。
矿物成分：地球的常见矿物几乎都能在沉积岩中出现。沉积岩中的稳定矿物（如石英）的含量称为矿物成熟度。矿物成熟度高，对应外力作用时间长，经历长时间的搬运，长期处于温暖潮湿的环境。
粒度：碎屑直径＞2 mm称为砾岩，0.05～2 mm称为砂岩，0.005～0.05 mm称为粉砂岩，＜0.005 mm称为泥岩，如果具有典型的平行层理，则称为页岩。粒度大对应外力搬运作用强，反之则搬运作用弱。
分选性：指颗粒的均匀程度。分选性好表示碎屑物质搬运距离长。
磨圆度：指颗粒形状的圆度。磨圆度高表明碎屑物质经历过长距离搬运。
胶结特征：指将不同碎屑成分胶结在一起的物质的成分和固化强度。根据胶结成分可以区分为硅质胶结、钙质胶结和泥质胶结等。
层理：指岩石不同层之间表现出的颜色、矿物成分、分选性、胶结物等的差异。沉积岩中的层理有平行层理、斜层理、交错层理、粒序层理等。
上述特征中，粒度、分选性和磨圆度影响沉积岩的堆积方式，并进而影响孔隙体积；而岩石的矿物成分和胶结特征严重影响岩石的力学强度。
孔隙体积占总体积的比例称为孔隙度，是衡量岩石结构性质的重要参数。沉积岩的孔隙度明显高于另外两大类岩石。水体（海洋、湖泊等）中未固结的沉积岩的孔隙度可高达80%，已固结的沉积岩的孔隙度一般在5%～30%。孔隙中存在的流体在地下高温高压环境下容易与岩石各组分发生化学反应，同时流体的流动也是物质迁移和能量传输的重要环节。油气的形成、运移和开采也都与岩石孔隙及其中流体运动密切相关。一般而言，碎屑物粒度大、分选性好和磨圆度高均有助于保持岩石的高孔隙度。
页岩在地壳中含量很高，约占沉积岩总量的50%，属于典型的细粒碎屑岩。以往的认知认为，页岩具有极低的孔隙度，低渗透性使得其成为良好的隔水层和油气盖层。但近二三十年的研究表明，页岩中可能存在高达20%（甚至更高）的孔隙度，但是这些孔隙都极其微小，需要借助高分辨率电子显微镜才能观察到。这些微小孔隙中往往广泛地储存着油气资源，但由于孔隙微小、流动性差，需要特殊方式才能开采。
1.1.2.3 变质岩
变质作用是指岩石在基本保持固态的情况下，温度、压力和流体作用使得岩石颗粒大小、矿物成分和结构发生变化的过程。该过程的产物即变质岩。变质作用可以在高温高压、高温低压或低温高压环境下发生。变质作用方式具体包括化学成分改变（如脱水、脱碳酸、水化、化合反应和置换反应等）、矿物成分变化（同质多象的转化和变质结晶作用）、重结晶（成分无变化）和形态改变（如破裂、位错、矿物定向排列等）。变质岩具有一些典型的结构和构造，这些结构和构造成为识别变质岩的基本特征，也影响其整体的物理性质。
火成岩和沉积岩都可以在一定条件下发生变质形成变质岩。由于原岩（火成岩、沉积岩）不同、变质作用方式（接触变质、区域变质和动力变质）差异和变质程度的递进变化，变质岩的成分和结构较火成岩和沉积岩更复杂。变质岩在地壳内分布广泛，约占陆地面积的18%。
1.1.3 成岩过程
上述三种岩石类型是在三种不同的地质作用下形成的。火成岩的形成对应火成过程（igneous processes），即高温条件下岩石熔融，经冷却结晶和固化的过程；沉积岩的形成对应沉积过程（sedimentary processes），指地表岩石在外力作用下经过剥蚀、搬运、沉淀并逐步固结成岩的过程；变质岩的形成对应变质过程（metamorphic processes），指在高温或高压环境下，原始岩石发生物理或化学变化的矿物组合的过程，该过程没有发生大比例熔融，在固态条件下发生变化。
三种成岩过程使得火成岩、沉积岩和变质岩之间可以相互转化，称为岩石循环（rock cycle）。这种相互转化贯穿整个地球演化历史和各种不同动力过程。岩石循环这一概念*早由苏格兰地质学家James Hutton于1795年提出，其基本含义为，熔融的岩浆在地下冷却过程中或喷出后结晶、固化，形成火成岩；地表及地壳浅部的岩石受地表作用影响，被剥蚀搬运到其他地方沉积下来，经过长时间压实作用固化形成沉积岩；火成岩和沉积岩处于特定的构造环境中可以发生变质作用，形成变质岩；沉积岩和变质岩因环境变化被加热到熔融温度后，可以重新转化为火成岩。因此三种岩石可以相互转化，如图1-1所示。伴随着岩石类型的转化，岩石的物理性质也发生相应变化。
图1-1 三大类岩石的循环转化
1.1.4 岩石类型与岩石物理性质
岩石的物理性质主要由三方面因素决定：①岩石的组成，包括组成岩石的矿物成分和孔隙，以及孔隙内的流体性质及饱和度。②岩石内部结构，包
目录
第1章 岩石及其基本特征 1
1.1 岩石的结构特征与成因 1
1.1.1 岩石的成分 1
1.1.2 岩石的分类及成因 3
1.1.3 成岩过程 6
1.1.4 岩石类型与岩石物理性质 6
1.1.5 岩石的微构造 7
1.2 岩石的特性 9
1.2.1 多样性 9
1.2.2 多变环境 9
1.2.3 时空尺度变化 10
1.3 岩石物理学 11
1.3.1 岩石物理学的内涵 11
1.3.2 岩石物理学的研究方法 12
1.3.3 岩石物理学研究意义 12
思考题 14
参考文献 14
第2章 岩石数字化技术基础 15
2.1 岩石观测技术概述 15
2.2 X射线微观层析成像技术 16
2.2.1 基本原理 16
2.2.2 不同设备 17
2.2.3 从投影图像到三维结构 19
2.3 三维CT图像处理 23
2.3.1 三维图像数据特征 23
2.3.2 图像处理流程 25
2.3.3 岩石三维结构显示 27
2.4 逾渗理论基本概念 30
2.4.1 逾渗与团簇 30
2.4.2 连通性与逾渗阈值 32
2.4.3 基于逾渗理论的CT图像分析 35
2.5 数字岩石发展与应用 37
2.5.1 发展历程 37
2.5.2 结构的表征 38
2.5.3 岩石结构与物性关系 41
思考题 41
参考文献 41
第3章 岩石中孔隙与流体运移 43
3.1 孔隙与孔隙度 43
3.1.1 孔隙结构 43
3.1.2 孔隙结构指标 44
3.1.3 孔隙度的测量 46
3.2 达西定律和渗透率 48
3.2.1 渗流假设与等效体 48
3.2.2 达西定律 49
3.2.3 渗透率 50
3.2.4 达西定律的适用范围 51
3.2.5 渗透率的测量 52
3.3 孔隙度-渗透率关系 54
3.3.1 实验结果与拟合 54
3.3.2 等效管道模型 55
3.3.3 Kozeny-Carman关系 57
3.3.4 Pittman经验公式 58
3.4 渗透率影响因素 58
3.4.1 岩性差异 58
3.4.2 压力 59
3.4.3 温度 60
3.4.4 逾渗模型 61
3.5 多相流概念 62
3.5.1 饱和度与相对渗透率 62
3.5.2 润湿性 64
3.6 基于数字岩石的孔隙流体研究 66
3.6.1 基本方法 66
3.6.2 应用实例 68
3.7 孔隙流体的影响 73
思考题 73
参考文献 74
第4章 岩石变形特征与本构 76
4.1 应变 76
4.1.1 基本概念 76
4.1.2 应变的基本分类及定义 77
4.1.3 从位移矢量到应变张量 78
4.1.4 三维应变分析 81
4.1.5 应变率 83
4.1.6 自然界中的应变与应变率 84
4.2 应力 85
4.2.1 力的定义 85
4.2.2 一点的应力状态 86
4.2.3 应力张量 86
4.2.4 应力单位与符号 89
4.2.5 主应力与应力不变量 89
4.2.6 偏应力 91
4.2.7 应力莫尔圆 91
4.3 岩石本构的基本概念 93
4.3.1 本构概念 93
4.3.2 岩石变形特征 94
4.4 一般弹性本构 95
4.4.1 广义胡克定律 96
4.4.2 主要弹性参数 97
4.4.3 应力-应变关系的简化 99
4.4.4 弹性本构在地球科学中的应用 100
4.5 塑性与屈服 102
4.5.1 典型单轴应力-应变*线 102
4.5.2 单轴塑性本构 103
4.5.3 塑性本构在地球科学中的应用 104
4.6 黏性与流变 104
4.6.1 黏性定义与特征 105
4.6.2 岩石的黏性 106
4.6.3 非完全黏性本构 107
4.6.4 黏性本构在地球科学中的应用 109
4.7 空间平均模型 109
4.7.1 沃伊特平均和罗伊斯平均 110
4.7.2 其他平均 112
4.8 孔隙弹性 113
4.8.1 孔隙介质压缩性 113
4.8.2 含水孔隙介质压缩性 118
4.8.3 有效应力定律 120
4.9 基于数字岩石的本构分析 121
4.9.1 基本方法 121
4.9.2 应用实例 124
思考题 127
参考文献 128
第5章 岩石的破裂和摩擦 130
5.1 破裂类型及过程 130
5.1.1 岩石破坏的类型 130
5.1.2 岩石破裂过程及观测 132
5.2 岩石破裂的力学分析 139
5.2.1 库仑准则 139
5.2.2 其他破裂准则 142
5.2.3 圆孔应力集中及应用 143
5.2.4 断裂力学概念 146
5.2.5 损伤力学概念 148
5.3 岩石强度及影响因素 150
5.3.1 岩石强度与实验测试 150
5.3.2 岩石强度的影响因素 153
5.4 岩石的摩擦滑动 156
5.4.1 摩擦理论基础 156
5.4.2 拜尔里定律 159
5.4.3 岩石摩擦实验 161
5.4.4 影响岩石摩擦的因素 163
5.4.5 失稳准则与粘滑 165
5.5 地应力与岩石受力状态 169
5.5.1 自重应力与构造应力 169
5.5.2 地应力测量 171
5.5.3 岩石圈强度极限范围 176
5.6 基于数字岩石的破裂和摩擦研究 183
5.6.1 基本方法 183
5.6.2 应用实例 184
思考题 188
参考文献 188
第6章 岩石中波的传播 190
6.1 岩石中的波 190
6.1.1 岩石中体波的类型和特点 190
6.1.2 波在介质分界面上的反射、透射和折射 191
6.1.3 有界介质中的波及岩石波速测量 193
6.2 岩石中波速特征及影响因素 195
6.2.1 不同岩性岩石的波速 195
6.2.2 波速与密度和矿物成分的关系 196
6.2.3 波速与孔隙度及饱和度关系 197
6.2.4 波速与温度、压力的关系 199
6.2.5 波速比 201
6.3 岩石中波的衰减 201
6.3.1 损耗比 202
6.3.2 品质因子 202
6.3.3 衰减系数 203
6.3.4 吸收衰减特性表征参数之间的关系 205
6.3.5 影响声波（地震波）吸收衰减的因素 205
6.4 岩石波速的平均模型 208
6.4.1 岩石中不同成分的波速 209
6.4.2 空间平均模型 209
6.4.3 时间平均模型 209
6.4.4 裂纹模型 210
6.4.5 球堆模型 211
6.4.6 孔隙流体流量模型 211
6.5 基于数字岩石的地震波特征研究 212
6.5.1 基本方法 212
6.5.2 应用实例 214
思考题 215
参考文献 215
第7章 岩石的其他性质 217
7.1 岩石的热学性质 217
7.1.1 热传导方程 217
7.1.2 岩石中的热源 218
7.1.3 岩石的热导率、比热和热膨胀系数 219
7.1.4 岩石热导率和比热的影响因素 222
7.2 岩石的磁性 226
7.2.1 物质的磁性 226
7.2.2 矿物的磁性 229
7.2.3 岩石的磁性 230
7.3 岩石的电学性质 233
7.3.1 岩石电阻率的影响因素 233
7.3.2 矿物岩石电阻率变化范围 236
7.3.3 沉积岩电阻率的各向异性 237
7.4 基于数字岩石的电、热特征研究 239
7.4.1 基本方法 239
7.4.2 应用实例 240
思考题 245
参考文献 246
第8章 岩石物理实验方法与设备 248
8.1 岩石孔隙表征 248
8.1.1 压汞法实验原理 248
8.1.2 压汞实验设备及步骤 251
8.2 渗透率测量方法 253
8.2.1 稳态法 253
8.2.2 脉冲法（瞬态法） 255
8.2.3 周期加载法 256
8.2.4 气体滑脱效应及校正 256
8.3 单轴压缩实验 257
8.3.1 样品应力-应变的测量 257
8.3.2 单轴抗拉强度的测量 258
8.3.3 单轴抗压强度 259
8.3.4 有侧限单轴压缩实验 260
8.4 三轴压缩实验 261
8.4.1 常规三轴实验 262
8.4.2 真三轴实验 263
8.5 摩擦实验 264
8.5.1 常规直剪实验 265
8.5.2 围压剪切实验 265
8.5.3 双剪切实验 267
8.5.4 环剪实验 267
8.6 声发射技术 268
8.6.1 岩石波速与动态弹性常数测量 268
8.6.2 被动声发射探测 270
8.6.3 声发射成像 272
参考文献 274
彩图
