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