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第一篇 岩石物理基础第1章 岩石 3

1.1 地球上的岩石和矿物 3

1.1.1 矿物 4

1.1.2 岩石 6

1.1.3 岩石的微构造 6

1.2 岩石的分类 8

1.2.1 成岩过程 9

1.2.2 火成岩 9

1.2.3 沉积岩 10

1.2.4 变质岩 12

1.2.5 成岩旋回（Rock cycle） 13

1.3 岩石的特点 14

1.3.1 高压高温环境 14

1.3.2 多孔介质 15

1.3.3 长期作用 16

1.3.4 最广泛应用的材料 17

1.4 研究岩石物理学的意义 17

1.4.1 岩石物理学的内容 17

1.4.2 正演问题和反演问题 18

1.4.3 岩石物理学的研究方法 19

习题 21

第2章 岩石的变形 22

2.1 应力 22

2.1.1 力和应力 22

2.1.2 主应力与莫尔圆 25

2.1.3 地应力 27

2.1.4 应力单位 29

2.2 应变 31

2.2.1 位移矢量和应变张量 31

2.2.2 线应变、角应变和体积应变 32

2.2.3 应变率 35

2.3 岩石的本构关系 36

2.3.1 基本概念 36

2.3.2 弹性 38

2.3.3 岩石典型的本构关系 38

2.4 岩石的蠕变 40

2.5 岩石实验 43

2.5.1 岩石样品 43

2.5.2 三轴压缩实验 44

习题 47

第3章 岩石中波的传播和衰减 50

3.1 岩石中的波 51

3.1.1 纵波和横波 51

3.1.2 波在两种介质分界面上的反射与折射 52

3.1.3 有界介质中波的传播 54

3.1.4 岩石中波速的测量 55

3.2 岩石中波速的测量结果 55

3.2.1 波速与密度和矿物成分的关系 56

3.2.2 波速与孔隙和饱和状态的关系 60

3.2.3 波速和压力、温度的关系 61

3.2.4 波速比vP/vS 63

3.3 岩石中波的衰减 64

3.3.1 衰减系数α和品质因子Q 64

3.3.2 衰减与频率的关系 68

3.3.3 衰减和矿物成分、孔隙度的关系 70

3.3.4 衰减和压力的关系 71

3.4 理论解释 73

3.4.1 计算波速的空间平均模型 74

3.4.2 衰减模型 77

第4章 岩石的弹性 78

4.1 二相体的弹性 78

4.1.1 弹性参数——一般概念 78

4.1.2 岩石中的孔隙：裂纹和孔洞 81

4.1.3 岩石、矿物和孔隙流体的弹性参数 83

4.1.4 有效弹性模量与二相体的概念 84

4.2 流体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 85

4.2.1 裂纹型孔隙的效应 85

4.2.2 裂纹闭合压力的计算 86

4.2.3 裂纹孔隙度ηC的测定 87

4.3 流体静压力下岩石中孔洞对弹性的影响 89

4.3.1 球形孔洞 89

4.3.2 颗粒状（Granular）岩石 89

4.4 弹性波在二相体岩石中的传播 92

4.4.1 弹性波速度与岩石的有效弹性参数 92

4.4.2 弹性波速度的变化（实验结果） 94

习题 95

第5章 孔隙流体的作用 96

5.1 流体静压力下饱和岩石的弹性表现 96

5.1.1 饱和岩石——排水情况 97

5.1.2 饱和岩石——不排水情况 99

5.2 弹性波在饱和岩石中的传播 100

5.2.1 液体饱和对波速的影响 101

5.2.2 波速比ξ=vP/vS的变化 101

5.3 线性多孔弹性力学（Linear Poroelasticity） 106

5.3.1 基本概念 107

5.3.2 不排水情况下的孔隙压力和弹性模量 108

5.3.3 有效应力定律 110

第6章 岩石的断裂 112

6.1 差应力作用下岩石的特性 112

6.1.1 岩石的膨胀 113

6.1.2 岩石破裂的微结构 116

6.1.3 声发射及其他性质 119

6.2 脆性断裂（Brittle Fracture） 121

6.2.1 破裂类型和破裂准则 121

6.2.2 库仑破裂准则 122

6.2.3 应力状态指数 128

6.3 岩石断裂力学 131

6.3.1 断裂力学 131

6.3.2 张开型裂纹的内聚力模型 135

6.3.3 剪切裂纹的滑动弱化模型 137

6.3.4 岩石的剪切断裂能Gc 142

6.4 流体对断裂的影响 146

6.4.1 孔隙压力PP 146

6.4.2 有效应力定律 148

6.4.3 水压致裂（Hydraulic Fracture） 148

习题 152

第7章 岩石的摩擦 155

7.1 摩擦 155

7.1.1 滑动面上的凹凸体（Asperity） 156

7.1.2 黏合理论（Adhesion Theory） 157

7.2 岩石的摩擦 158

7.2.1 岩石摩擦实验 158

7.2.2 拜尔利（Byerlee）定律 160

7.2.3 环境因素对摩擦的影响 162

7.3 摩擦滑动和岩石变形的稳定性问题 164

7.3.1 失稳准则 165

7.3.2 岩石的非线性本构关系 167

7.3.3 加载系统的刚度（stiffness） 168

7.3.4 失稳条件 169

7.4 黏滑（Stick-slip）和稳定滑动 171

7.4.1 摩擦滑动的两种形式 171

7.4.2 黏滑 172

7.4.3 地震和弹簧滑块模型 176

习题 178

第8章 岩石的强度 180

8.1 完整岩石的强度 180

8.1.1 岩石强度实验 180

8.1.2 强度与围压的关系 181

8.1.3 强度与温度的关系 182

8.1.4 强度与应变率和样品大小的关系 183

8.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度 185

8.2.1 拜尔利（Byerlee）摩擦滑动条件 185

8.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较 186

8.2.3 安德森（Anderson）关于断层与应力状态的理论 188

8.3 地壳中的（偏）应力状态 193

8.3.1 岩石圈和软流圈 193

8.3.2 偏应力 194

8.3.3 实地（in situ）应力测量 197

8.4 由岩体强度推断地壳应力状态的极限范围 203

8.4.1 脆性破裂 203

8.4.2 摩擦强度 203

8.4.3 岩石的蠕变 206

第9章 岩石的输运特性 209

9.1 达西（Darcy）定律和岩石的渗透率 209

9.1.1 等效体 210

9.1.2 达西（Darcy）定律 211

9.1.3 渗透率 211

9.2 渗透率的测量 215

9.2.1 稳态法 215

9.2.2 脉冲法 215

9.2.3 周期加载法 216

9.3 岩石的渗透率：岩石组分、孔隙度、压力和温度的影响 217

9.3.1 岩石的渗透率 217

9.3.2 渗透率随压力的变化 218

9.3.3 岩石的热开裂 220

9.4 流体输运模型 221

9.4.1 等效管道模型 221

9.4.2 逾渗模型 222

习题 224

第10章 岩石的其他特性 225

10.1 岩石的磁性 225

10.1.1 矿物磁性 226

10.1.2 岩石磁性 228

10.1.3 地磁场的历史和古地磁学 230

10.2 岩石的热学性质 233

10.2.1 基本关系 233

10.2.2 岩石的比热和热导率 234

10.2.3 岩石中的热源 237

10.3 岩石的电学性质 239

10.3.1 基本关系 239

10.3.2 岩石的电导率 241

10.3.3 研究岩石电学性质的意义 242

第二篇 实验岩石物理学第11章 岩石物理学实验设备 247

11.1 围压容器 247

11.1.1 围压容器 248

11.1.2 围压的产生 251

11.1.3 轴向应力的产生 253

11.1.4 高温条件的达到 254

11.2 压机 258

11.2.1 刚性压机 258

11.2.2 岩样的刚度 260

11.2.3 （闭环）伺服控制压机 262

11.3 岩石样品 264

11.3.1 对样品的要求 265

11.3.2 制备方法 265

11.3.3 样品的包裹 266

11.4 其他类型实验 266

第12章 岩石的变形和静态弹性常数测量 269

12.1 变形测量 269

12.1.1 机械方法 270

12.1.2 电测法 272

12.1.3 电测法的应用 279

12.2 应力测量 281

12.2.1 载荷传感器（Lood cell） 282

12.2.2 围压的测量 284

12.3 应力-应变曲线和岩石弹性常数的计算 284

12.3.1 应力-应变曲线 285

12.3.2 弹性常数的计算 285

12.4 岩石其他参数的测量 288

12.4.1 密度 288

12.4.2 孔隙度 290

12.4.3 含水量 291

12.4.4 渗透率 291

12.4.5 岩石中矿物颗粒的平均直径 291

第13章 声学方法 293

13.1 岩石和矿物中弹性波速度的测量 293

13.1.1 共振法 294

13.1.2 脉冲法 295

13.1.3 干涉法 298

13.2 波在岩石中衰减的测量 302

13.2.1 Q值测量的困难 303

13.2.2 频谱振幅比法 304

13.2.3 强迫振动-共振法 305

13.3 声发射 307

13.3.1 声发射 307

13.3.2 声发射的测量仪器 309

13.3.3 岩石声发射的一些特点 314

第14章 光学方法 316

14.1 光弹实验 316

14.1.1 物理光学简介 317

14.1.2 应力-光性关系 320

14.1.3 透射光弹实验 321

14.1.4 反射光弹实验 325

14.2 激光在岩石力学实验中的应用 326

14.2.1 激光 326

14.2.2 长度变化的精密测量 328

14.2.3 全息摄影 330

14.2.4 散斑法（Speckle Diffraction Interferometry） 333

14.3 岩石微观结构的显微观测 335

14.3.1 显微镜 335

14.3.2 观测试件的制备 339

第三篇 计算岩石物理学第15章 绪论 343

15.1 计算岩石物理学的发展 343

15.2 计算岩石物理学的必要性 345

15.3 计算岩石物理学中所用的方法 346

15.4 计算岩石物理学的几个应用 347

15.5 计算岩石物理学的前景 347

15.6 利用地震方法检测裂隙的理论基础及其限制 348

15.7 本篇主要内容 352

第16章 地震波在裂隙介质中的传播：等效介质理论 353

16.1 介绍 353

16.2 Hudson裂纹介质模型 356

16.2.1 理论模型 356

16.2.2 波动方程 357

16.2.3 平滑方法 357

16.2.4 散射算子 359

16.3 裂隙面位移不连续Ukl的表达式 361

16.3.1 完全填充介质的独立裂纹 361

16.3.2 部分饱和的独立裂纹 362

16.3.3 连通裂纹和孔隙 363

16.4 含裂隙介质模型 364

16.4.1 含平行裂隙岩石的有效柔度系数 364

16.4.2 孤立滑移面裂隙模型 365

16.4.3 非连续接触裂隙模型 366

16.4.4 液体薄层裂隙模型 367

16.4.5 裂隙法向与裂纹法向不平行裂隙模型 368

16.5 裂隙岩石的各向异性 368

16.6 Chapman多尺度模型 371

16.7 有效弹性常数的刚度及柔度表达式 373

16.8 本章小结 373

第17章 有限差分法 374

17.1 有限差分原理简介 374

17.2 旋转交错网格 375

17.2.1 问题描述 376

17.2.2 旋转交错网格 376

17.2.3 数值模拟 378

17.3 伪谱法 380

17.3.1 裂隙的实现方法（THE COATES和SCHOENBERG方法） 380

17.3.2 裂隙空间分布 382

17.3.3 裂隙尺度的影响 387

17.4 变网格（Variable-grid）有限差分法 389

17.5 本章小结 390

附录17A 裂隙介质的有效柔度 391

附录17B 裂隙尖端的效果 393

第18章 有限元法 396

18.1 有限元法简介 396

18.2 裂隙介质中弹性波的有限元数值模拟 398

18.2.1 线性滑动模型 398

18.2.2 问题描述 399

18.2.3 有限元模型 400

18.2.4 方法的数值实现 403

18.2.5 稳定性条件 404

18.2.6 模拟结果 405

18.3 致密和交错裂隙岩石的有效弹性 409

18.3.1 非相互作用近似理论（NIA） 410

18.3.2 有限元模型描述 411

18.3.3 数值模拟 412

18.3.4 边界元法与有限元法的比较（2D） 416

18.4 本章小结 419

附录18A 弹性波动方程的积分表达形式 419

第19章 边界元与边界积分方程方法 421

19.1 介绍 421

19.2 间接边界元法基本公式 422

19.3 离散化与边界元法的实现 423

19.3.1 SH波 423

19.3.2 P-SV波 424

19.4 数值应用实例 425

19.4.1 不同空间分布的包体 425

19.4.2 尺度成幂律分布的包体 428

19.4.3 P波衰减随方位角的变化 429

19.5 模拟裂隙介质的地震响应 430

19.5.1 波长与裂纹尺度之比的影响 430

19.5.2 裂纹密度的影响 431

19.5.3 裂纹纵横比的影响 433

19.6 本章小结 436

附录19A 直接边界元与间接边界元法 436

附录19B SH波的格林函数 439

第20章 离散元与离散粒子方法 441

20.1 离散元方法简介 441

20.1.1 网格结构与性质 442

20.1.2 粒子相互作用 443

20.1.3 数值积分 444

20.1.4 数值稳定性 445

20.2 波动的衰减 445

20.3 数值实验 448

20.3.1 均匀介质 448

20.3.2 层状模型 449

20.4 模拟结果 452

20.5 本章小结 455

参考文献 457

索引 493