2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專業(yè)題庫——地下巖石力學(xué)參數(shù)測定技術(shù)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述巖石力學(xué)參數(shù)在地球物理學(xué)勘探中的重要性，并列舉至少三種你熟悉的通過地球物理方法測定巖石力學(xué)參數(shù)的技術(shù)。二、描述利用聲波法測定巖石彈性模量（E）和泊松比（ν）的基本原理。假設(shè)你獲得了一塊巖石樣品，通過實驗測得縱波波速（Vp）=3500m/s，橫波波速（Vs）=2000m/s，樣品密度（ρ）=2500kg/m3。請計算該巖石樣品的楊氏模量（以GPa為單位）和泊松比。三、比較電阻率法測定巖石孔隙度與利用地震波法測定巖石孔隙度的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。四、在地下巖石力學(xué)參數(shù)測定中，樣品尺寸效應(yīng)是如何影響測定結(jié)果的？請結(jié)合具體物理過程進(jìn)行解釋。指出至少兩種減小樣品尺寸效應(yīng)影響的方法。五、簡述地震波反射法測定地應(yīng)力場的基本原理。在解釋反射波資料時，如何區(qū)分由于地應(yīng)力變化引起的波速變化和由于巖石物理性質(zhì)變化引起的波速變化？六、闡述地下電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)解釋反演獲取巖石力學(xué)參數(shù)（如孔隙度、滲透率）的一般步驟。在數(shù)據(jù)處理和反演過程中，可能遇到哪些主要噪聲和干擾？如何進(jìn)行壓制或消除？七、某油氣田在開發(fā)過程中，需要監(jiān)測儲層孔隙壓力的變化以預(yù)測井壁穩(wěn)定性和水竄風(fēng)險。簡述可以利用哪些地球物理方法進(jìn)行孔隙壓力監(jiān)測，并說明其基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。八、在實際工程應(yīng)用中，例如在核廢料處置庫選址評價中，除了巖石力學(xué)參數(shù)外，還需要考慮哪些地質(zhì)和環(huán)境地球物理參數(shù)？并說明這些參數(shù)對于評價處置庫的長期安全性為何重要。九、你正在參與一項地?zé)豳Y源勘探項目。項目區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，需要準(zhǔn)確獲取地下不同深度的巖石力學(xué)參數(shù)。請簡述你將如何選擇合適的地球物理測定技術(shù)組合，并說明選擇這些技術(shù)的依據(jù)。在綜合解釋時，如何有效融合不同方法獲得的信息？十、假設(shè)你使用地震法測定某地殼深部巖石的縱波速度，發(fā)現(xiàn)測得的波速明顯低于地表相似巖性的常規(guī)波速值。結(jié)合巖石物理學(xué)知識，分析可能存在哪些地質(zhì)因素（如溫度、壓力、流體飽和度、礦物成分變化等）導(dǎo)致了這種速度異常？請逐一說明其作用機(jī)制。試卷答案一、巖石力學(xué)參數(shù)是描述巖石變形和強(qiáng)度特性的關(guān)鍵指標(biāo)，對于地球物理勘探具有重要意義。準(zhǔn)確測定巖石力學(xué)參數(shù)有助于：1.評價儲層物性（如孔隙度、滲透率）和??層流體性質(zhì)（如流體類型、飽和度），指導(dǎo)油氣勘探開發(fā)。2.預(yù)測井壁穩(wěn)定性，優(yōu)化鉆井工程設(shè)計，保障鉆井安全。3.評估儲層改造效果（如水力壓裂），提高采收率。4.評價工程地質(zhì)穩(wěn)定性，為工程建設(shè)（如大壩、隧道、地基）提供依據(jù)。5.進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測，如地震危險性評估、巖體穩(wěn)定性分析等。常見的通過地球物理方法測定巖石力學(xué)參數(shù)的技術(shù)包括：聲波法、地震法、電阻率法、地震反射/折射法、示蹤法等。二、利用聲波法測定巖石彈性模量（E）和泊松比（ν）的基本原理：通過測定巖石樣品的縱波波速（Vp）和橫波波速（Vs），結(jié)合樣品密度（ρ），利用巖石力學(xué)公式計算彈性模量和泊松比。常用關(guān)系式為：E=ρ*(Vp2*(1-ν2)/((1+ν)*(1-2ν)))ν=Vp2-2Vs2/(2*(Vp2-Vs2))或者使用經(jīng)驗公式如：E≈ρ*Vp2*(1-ν2)/(1-ν)計算步驟：1.代入已知數(shù)據(jù)：ρ=2500kg/m3,Vp=3500m/s,Vs=2000m/s。2.計算泊松比：ν=(35002-2*20002)/(2*(35002-20002))=(12250000-8000000)/(2*(12250000-4000000))=4250000/(2*8250000)=425/16500≈0.02583.計算楊氏模量：E=2500*(35002*(1-0.02582)/((1+0.0258)*(1-2*0.0258)))≈2500*(12250000*(1-0.000667)/(1.0258*0.9484))≈2500*(12249933.3/0.9746)≈2500*12582937.8/974.6≈2500*128845.1≈322136775Pa=322.14GPa三、電阻率法測定巖石孔隙度原理：主要基于巖石的導(dǎo)電性與其孔隙度、孔隙流體性質(zhì)及巖石骨架性質(zhì)有關(guān)的物理關(guān)系。通常假設(shè)孔隙被流體飽和，通過測量巖石的電阻率，結(jié)合巖石骨架電阻率和孔隙流體電阻率，利用Archie方程等經(jīng)驗公式反演計算孔隙度。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備相對簡單、成本較低、測量速度快、可在井孔中進(jìn)行連續(xù)測量。缺點(diǎn)是對巖石骨架和流體的性質(zhì)敏感，受泥漿濾失、固結(jié)程度等因素影響較大，定量解釋精度有時不高。地震波法測定巖石孔隙度原理：基于巖石的聲波速度（特別是縱波速度）與巖石的孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、巖石骨架性質(zhì)、流體性質(zhì)及圍壓等因素密切相關(guān)的物理關(guān)系。通過測定巖石的縱波或橫波速度，結(jié)合巖石骨架速度和流體速度，利用經(jīng)驗公式或巖石物理模型反演計算孔隙度。優(yōu)點(diǎn)是探測深度大，可獲取大范圍地質(zhì)體的信息，能提供巖石結(jié)構(gòu)和物性的空間變化。缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴、野外采集條件要求高、數(shù)據(jù)處理和解釋復(fù)雜，且速度測量的精度會影響孔隙度反演結(jié)果。適用條件比較：電阻率法更適用于近地表、井孔環(huán)境以及需要快速獲取平均孔隙度信息的場景。地震波法更適用于大范圍、深部地質(zhì)體的孔隙度探測和儲層描述，尤其是在缺乏井孔數(shù)據(jù)或需要三維空間信息時。四、樣品尺寸效應(yīng)是指巖石力學(xué)參數(shù)的測定結(jié)果隨樣品尺寸的變化而變化的現(xiàn)象。對于聲波法，樣品尺寸效應(yīng)主要表現(xiàn)為：當(dāng)樣品尺寸較小時，其表面積相對于體積的比例較大，表面缺陷、孔隙分布的不均勻性以及樣品與周圍環(huán)境的耦合效應(yīng)（如空氣耦合）對波在樣品中傳播的影響顯著，導(dǎo)致測得的聲波波速偏高，且波速分散性大。當(dāng)樣品尺寸增大到一定程度（通常大于一定特征尺寸，如聲波波長的幾倍），表面效應(yīng)的影響減弱，波速趨于穩(wěn)定，更接近真實體塊的平均波速。對于地震法，尺寸效應(yīng)同樣存在，小尺寸樣品的邊界效應(yīng)和內(nèi)部不均勻性會散射和吸收地震波，導(dǎo)致波速測量不準(zhǔn)確。減小樣品尺寸效應(yīng)影響的方法：1.增大樣品尺寸：使其遠(yuǎn)大于聲波波長或相關(guān)特征長度，使表面效應(yīng)和邊界效應(yīng)可以忽略。2.改進(jìn)實驗條件：使用液體耦合代替空氣耦合，以減少界面反射損失；保證樣品尺寸遠(yuǎn)大于其內(nèi)部主要孔隙或缺陷的尺寸。3.優(yōu)化測量技術(shù)：采用更精確的波速測量裝置和方法，減少測量誤差。五、地震波反射法測定地應(yīng)力場的基本原理：地應(yīng)力（主要是圍壓）會顯著影響巖石的地震波速度。一般來說，圍壓增大，巖石的密實度增加，波速（尤其是縱波速度）會隨之增大。通過地震反射剖面，可以獲取地下不同深度的反射波或轉(zhuǎn)換波速度信息，然后結(jié)合巖石物理模型（考慮溫度、流體壓力等因素影響），反演計算地應(yīng)力狀態(tài)。具體來說，可以通過測定反射波或轉(zhuǎn)換波的旅行時來計算層速度，再根據(jù)速度隨應(yīng)力變化的關(guān)系（如經(jīng)驗公式或?qū)嶒炇覝y量數(shù)據(jù)）推算出不同深度的靜態(tài)地應(yīng)力值，或通過分析地震波形特征（如P-SV波分裂）來估計應(yīng)力方向。區(qū)分波速變化原因：解釋反射波資料時，需要區(qū)分由地應(yīng)力變化引起的波速變化和由巖石物理性質(zhì)變化引起的波速變化。地應(yīng)力引起的波速變化通常是系統(tǒng)性的、與深度（即圍壓）相關(guān)的變化。而巖石物理性質(zhì)變化（如孔隙度、流體類型、礦物成分變化）引起的波速變化可能更復(fù)雜，可能與特定的地質(zhì)構(gòu)造、沉積環(huán)境或巖漿活動有關(guān)，其變化規(guī)律可能與深度關(guān)系不大或不均勻。可以通過以下方法輔助區(qū)分：1.結(jié)合其他地球物理數(shù)據(jù)：如密度、電阻率數(shù)據(jù)，綜合分析巖石物理性質(zhì)變化。2.進(jìn)行巖石力學(xué)實驗：獲取實驗室條件下應(yīng)力-波速關(guān)系。3.分析地震資料細(xì)節(jié)：如層位形態(tài)、反射強(qiáng)度變化等，可能提供關(guān)于應(yīng)力狀態(tài)的間接信息。六、地下電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)解釋反演獲取巖石力學(xué)參數(shù)（如孔隙度、滲透率）的一般步驟：1.原始資料處理：對野外采集的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、去噪、基線校正、環(huán)境校正（如泥漿影響校正）、正?；取?.層段劃分：根據(jù)電阻率曲線形態(tài)、自然電位曲線等特征，結(jié)合地質(zhì)資料，劃分測井響應(yīng)的地質(zhì)層段。3.識別骨架、泥漿、地層水參數(shù)：利用已知巖性或經(jīng)驗方法，估計或確定地層的骨架電阻率、泥漿濾餅電阻率、泥漿濾液電阻率（即地層水電阻率）。4.選擇和建立巖石物理模型/公式：選擇合適的模型（如Archie模型及其變種）或經(jīng)驗公式，將電阻率與孔隙度、滲透率、骨架、泥漿等因素聯(lián)系起來。5.反演計算：利用迭代反演算法（如電阻率反演、同時反演孔隙度與滲透率），輸入處理后的電阻率數(shù)據(jù)和已知的或先驗的骨架、泥漿、水電阻率參數(shù)，計算得到各層段的孔隙度、滲透率等巖石力學(xué)參數(shù)剖面。主要噪聲和干擾包括：1.儀器噪聲：放大器噪聲、電纜噪聲等。2.供電系統(tǒng)噪聲：交流電干擾（50/60Hz干擾）。3.電磁干擾：來自地面電磁場或其他設(shè)備的干擾。4.井眼效應(yīng)：井壁不規(guī)則、環(huán)空水泥漿影響、泥漿濾餅不均勻等。5.自然電位（SP）影響：在電阻率解釋中，SP曲線可能提供巖性信息，但也可能干擾電阻率解釋。6.隨機(jī)噪聲：源于地質(zhì)不均一性或儀器隨機(jī)誤差的波動。壓制或消除方法：1.數(shù)字濾波：設(shè)計合適的濾波器（如帶通濾波、陷波濾波）去除特定頻率的干擾。2.平均技術(shù)：對相鄰道或多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，平滑隨機(jī)噪聲。3.校正技術(shù)：進(jìn)行泥漿影響校正、井眼校正等，消除井眼相關(guān)干擾。4.信號處理算法：如自適應(yīng)濾波、小波變換等先進(jìn)技術(shù)。七、可利用的地球物理方法包括：1.聲波測井（AcousticLogging）：通過測量巖石的聲波時差，利用時差與孔隙壓力的相關(guān)性進(jìn)行監(jiān)測。通常使用經(jīng)驗公式或巖石物理模型建立時差-孔隙壓力關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)是測量連續(xù)、快速。缺點(diǎn)是精度受泥巖影響大，且聲波時差受溫度、流體類型影響也需考慮。2.地震波測井/隨鉆測量（Wireline/CDMSeismic）：通過測量地震波（如P波、斯通利波）在井孔附近地層的傳播速度（特別是橫波速度Vs），利用速度隨孔隙壓力增大的變化來監(jiān)測孔隙壓力。斯通利波對孔隙壓力變化更敏感。優(yōu)點(diǎn)是探測范圍相對較廣。缺點(diǎn)是成本高，數(shù)據(jù)采集和處理解釋復(fù)雜。3.電阻率測井（ResistivityLogging）：利用電阻率隨孔隙壓力變化的規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測。通常認(rèn)為孔隙壓力升高時，流體電阻率降低，導(dǎo)致地層電阻率降低。優(yōu)點(diǎn)是成本相對較低。缺點(diǎn)是敏感性可能不高，易受巖性、流體類型變化影響。4.微電阻率成像（MicroresistivityImaging）：提供井周地層的電阻率圖像，可以更精細(xì)地識別孔隙壓力異常區(qū)域。選擇依據(jù)：需綜合考慮勘探開發(fā)階段、成本、測量精度要求、井眼條件、地質(zhì)復(fù)雜性等因素。聲波測井應(yīng)用最廣泛，地震波測井（特別是斯通利波）在敏感性和探測范圍上更具優(yōu)勢，電阻率測井作為輔助手段使用。融合不同方法信息：利用多參數(shù)測井?dāng)?shù)據(jù)（如聲波、電阻率、密度、中子等）建立綜合預(yù)測模型，提高孔隙壓力預(yù)測的準(zhǔn)確性。進(jìn)行測井?dāng)?shù)據(jù)與地震資料聯(lián)合解釋，利用井上測井響應(yīng)建立井間地震屬性（如AVO、波阻抗）與孔隙壓力的關(guān)系，實現(xiàn)井間孔隙壓力的預(yù)測。八、除了巖石力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、體積模量、剪切模量、孔隙壓力）外，還需要考慮的地質(zhì)和環(huán)境地球物理參數(shù)包括：1.地質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)：斷層位置、性質(zhì)（走滑、正斷、逆沖）、活動性、斷層面粗糙度、斷層帶寬度、圍巖力學(xué)性質(zhì)。2.地應(yīng)力場參數(shù)：最大主應(yīng)力方向、大小、最小主應(yīng)力方向、大?。ㄈS應(yīng)力狀態(tài)）。3.流體參數(shù)：孔隙流體類型（水、油、氣）、飽和度、壓力、組分、流動性。4.溫度場：地溫梯度、地下熱流。5.地下水運(yùn)動參數(shù)：滲透系數(shù)、含水率、流速。6.巖石損傷/劣化參數(shù)：風(fēng)化程度、蝕變程度、礦物成分變化、微裂縫發(fā)育程度。重要性：這些參數(shù)對于評價核廢料處置庫的長期安全性至關(guān)重要。*地應(yīng)力場：決定了處置庫圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，是誘發(fā)圍巖變形和破壞的主要因素，也影響裂隙的張合與流體流動。*巖石力學(xué)參數(shù)：直接決定圍巖的變形和