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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/vS63

3.3 岩石中波的衰减64

3.3.1 衰减系数α和品质因子Q64

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Gc142

6.4 流体对断裂的影响146

6.4.1 孔隙压力PP146

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