A3 · 出版卷 4

地球材料的物性

密度、孔隙、磁化率、电性、弹性、强度和各向异性

学习目标

完成本课后，你应能够区分颗粒密度与体积密度，计算简单孔隙度，区分孔隙度与渗透率，用单位和条件描述磁性及电性，把弹性模量连接到波速，并解释强度和各向异性为何依赖样品支撑与试验方法。

地球材料性质取决于成分、物相比例、孔隙、裂纹、流体、风化、应力、温度、频率、方向和样品尺度。从表格复制的数字不能自动用于露头或地球物理网格。完整记录应说明材料、样品支撑、制备、饱和状态、围压条件、方向、仪器、单位和不确定性。

澳大利亚地学局强调，实测岩石物性把地球物理观测连接到地质解释。这种连接具有条件：重力异常响应密度差和几何，而非直接响应岩石名称；磁异常取决于磁化率、剩磁、场方向和地质体几何。

颗粒密度 不包含连通和封闭孔隙体积。干体积密度 用干质量除以总体积。饱和体积密度 还包含孔隙流体质量。对干质量 m_d 和总体积 V_b：


\rho_{b,d}=\frac{m_d}{V_b}

孔隙度为孔隙体积分数：


\phi=\frac{V_v}{V_b}

在简单二组分假设和实测颗粒密度 \rho_g 下：


\phi \approx 1-\frac{\rho_{b,d}}{\rho_g}

此估计假定干质量具有代表性、体积测量相容，且不存在重要未处理因素。黏土束缚水、粗糙表面、气孔、封闭孔和裂隙需要合适方法。

渗透率 描述材料在压力梯度下传输流体的能力。高孔隙度可能连通性差而渗透率低；低孔隙但有连通裂隙的岩石可能高效传输流体。缺少孔隙网络证据时，不能由一项性质推断另一项。

简单线性形式下，磁化率把感应磁化强度 \mathbf{M} 与外加磁场 \mathbf{H} 联系为：


\mathbf{M}=\boldsymbol{\chi}\mathbf{H}

\boldsymbol{\chi} 可能随方向变化。SI 体积磁化率无量纲；质量磁化率具有不同单位，不能混用。天然剩磁在当前外场撤除后仍保留，可主导、增强或抵消感应响应。磁铁矿含量、粒度、氧化程度、磁畴状态和组构都会影响结果。

手持磁铁只能定性探测其中一部分行为。“手持磁铁无响应”不等于磁化率为零。

对简单均一试样，电阻率与电阻 R、长度 L、截面积 A 的关系为：


\rho_e=R\frac{A}{L}, \qquad \sigma=\frac{1}{\rho_e}

其中 \sigma 为电导率。矿物导电、连通硫化物或石墨、含盐孔隙水、黏土表面传导、饱和度、温度和测量频率都可能使结果改变多个数量级。接触电阻和电极极化需要控制。

激发极化响应不等同于电导率，它还取决于电荷存储、界面过程、几何和测量参数。

理想各向同性弹性材料中，P 波和 S 波速度可写为：


v_P=\sqrt{\frac{K+\tfrac{4}{3}\mu}{\rho}}, \qquad
v_S=\sqrt{\frac{\mu}{\rho}}

其中 K 为体积模量，\mu 为剪切模量，\rho 为密度。真实岩石不均一、有裂纹、各向异性并可能部分饱和。随着围压闭合裂纹，有效速度会改变；流体发生重分配时，频率也会产生影响。

加载试验所得静态弹性模量与波速所得动态模量不一定相同，必须记录使用哪一种。

单轴抗压强度、抗拉强度、黏聚力、摩擦角和断裂韧度描述不同响应。结果取决于试样尺寸与形状、加载速率、端面制备、含水状态、围压、风化、不连续面和加载方向。若不考虑节理、断层与尺度，不能把完整岩块强度直接替代岩体强度。

各向异性 表示性质随方向改变。层理、片理、定向裂纹、矿物形状和应力历史都可使波速、导电性、渗透率与强度具有各向异性。测量方向必须相对于组构报告。

一件干燥完整岩芯柱塞质量为 260 g，总体积为 100 cm³，因此干体积密度为 2.60 g cm⁻³。对具有代表性的粉碎材料进行氦气比重测量，得到颗粒密度 2.72 g cm⁻³。


\phi\approx 1-\frac{2.60}{2.72}=0.044

估计孔隙度为 4.4%。报告不确定性应包含两项测量和代表性。如果柱塞有颗粒密度制备无法访问的封闭气孔，或粉碎子样的矿物比例不同，简单估计就会偏倚。渗透率仍需流动试验或经过验证的孔隙网络关系。

为五件标本设计物性表，测量尺寸、质量和干体积密度，记录饱和状态与可见孔隙。若有仪器，在三个方向测磁化率；若无仪器，则记录受控定性磁铁试验。只有在标记蚀变、孔隙和样品支撑后，才绘制密度—岩性图。说明哪些对比可能影响重力或磁观测，以及哪些不能由现有数据推断。