巖石在受載條件下電阻率變化特征研究綜述

王俊璇，趙明階，蘇初明

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074;2.廣西雙象巖土工程有限責任公司，廣西 南寧 530011)

巖石在受載條件下電阻率變化特征研究綜述

王俊璇1，趙明階1，蘇初明2

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074;2.廣西雙象巖土工程有限責任公司，廣西 南寧 530011)

從實驗測試、各向異性等方面對巖石在受載條件下電阻率變化特征進行了研究，得到受壓巖石電阻率的變化規律，并建立了應力-電阻率的理論關系，為各類巖石工程的變形強度監測、破壞程度預測和穩定性評價提供了依據。

巖石;受壓;應力;電阻率;各向異性

巖石電性是巖石物理力學性質之一，其電學參數可用電阻率來表示。研究受壓巖石電阻率的變化特征，尋求電阻率與應力的關系，通過電阻率的變化規律反推巖石的力學性質，使電阻率監測技術運用于實際工程中，預測和評價工程巖石的破壞狀態和穩定程度等，達到簡單有效、無破壞無擾動的目的，以彌補靜力學方法的局限。目前關于巖石在受載條件下電阻率變化特征的研究，在地震工程、地球物理勘探、油氣開發等方面開展得較多，主要以實驗研究為主。一部分學者通過對壓力與電阻率相關性的研究，認為可利用電阻率進行油氣勘探和預測礦山煤層的穩定性;另一部分學者對電阻率的各向異性進行了研究，想通過各向異性與力方向的關系了解地震前兆特征。但大都未深入到理論研究，還沒有建立應力-電阻率的理論模型。

1 受壓巖石電阻率的實驗測試

1.1 巖石電阻率的測量方法

巖石電阻率的室內測量方法常用二極法和四極法［1］。二極法是把電極對稱布置在巖石樣品的2個對面上，通過測量電阻值R，巖樣長度L和橫截面積S，利用公式ρ=R(S/L)來計算電阻率值ρ。二極法可以進行整個巖芯的電阻率測量，并且其孔隙度和含水飽和度也能夠測量［2］。目前用得較多的是四極法，它可以消除接觸電阻的影響，根據供電電極流過的電流I，測量電極間的電壓差ΔU，得到電阻率ρ:ρ=K(ΔU/I)(K為裝置系數)。其測量原理如圖1。

1.2 巖石電阻率變化的影響因素

按導電特性的不同，巖石可分為2類:一是離子導電的巖石，即含有離子導體(電解液)和有孔隙(裂隙)水極化效應的巖石(這種巖石主要是含水的孔隙性沉積巖，尤其是碎屑巖、裂隙發育的巖漿巖及變質巖，其電阻率的大小取決于巖石孔隙中所含液體的性質，溶液的濃度和含量等);二是電子導電的巖石，即沒有離子導體(電解液)和沒有孔隙(裂隙)水極化效應的巖石(這類巖石大都非常致密，有孔隙和裂隙，但不含水，其電阻率主要由所含導電礦物的性質和含量決定)。

在受到壓力作用時，壓力對電阻率的影響反映在 3 個方面［3］:

1)巖石在壓力的作用下要產生裂隙甚至破碎;

2)壓力的作用使巖石中的孔隙閉合;

3)在高壓下巖石的化學成分要發生變化。

圖1 受壓巖石電阻率的測量Fig.1 Rock resistivity measurements in press

圖2 3種巖樣電阻率和應力關系曲線Fig.2 The relation between resistivity and stress of three kinds of rock samples

2 受載條件下巖石電阻率的變化規律

2.1 受載巖石電阻率變化的實驗規律

20 世紀60 年代，Brace 和 Orange［4］用二極法對巖石在破裂過程中的電阻率變化作了研究，以Brace的研究方法為基礎，張中天，等［5］對淡水和鹽水飽和的輝長巖、花崗巖Ⅰ和Ⅱ 三種巖樣在1.2 kB圍壓下進行了壓縮實驗，并展開到破裂后的摩擦滑動階段，得到巖樣電阻率和應力關系曲線如圖2。

考慮實際孕震過程的復雜性，陳大元，等［6］對不同飽和度花崗巖施加單軸壓力，研究了“應力反復”對電阻率的影響。陳峰，等［7］研究了承載花崗巖標本在有彈性約束條件下的電阻率變化。結果表明:電阻率隨壓力變化的總體形態為上升-平穩-下降的變化，隨著壓力的增加，電阻率下降，在接近破壞時電阻率下降較快。

曲斌，等［8］通過對儲層環境的模擬，研究了在不同壓力下儲層特征巖心電阻率的變化，同時對比飽和原油和飽和水樣品，得出了儲層特征巖心電阻率與壓力的關系:電阻率隨壓力增大而增大，且呈e的指數形式變化，但變化梯度較小。

李德春，等［9］通過一種改進的電阻率測量方法，測量了典型的煤礦巖樣(泥巖、砂巖、灰巖和煤)受壓至破壞過程中的電阻率，得到不同類型的電阻率和壓力的關系曲線。陸海龍，等［10］對煤樣進行了單軸壓縮，通過對比不同硬度的煤樣，分析了其電阻率的變化特征。王云剛［11］對大尺度有沖擊傾向煤體同樣進行了單軸壓縮試驗，研究了其電阻率的變化。研究結果顯示:電阻率隨壓力的增加而減小，當減小到最小值后會隨壓力的增加而增大，直到發生破壞。

2.2 受載巖石電阻率變化的機理分析

張寧生，等［12］研究了圍壓對飽和流體巖心電阻率的影響規律，認為內外壓差使多孔介質的孔隙受到壓縮，孔隙度變小，導電通道形成更大曲折;橫截面積減小，電解質中的離子運移變得困難，電阻率會隨壓差的增大而變大。姜文龍，等［13］通過對石英砂巖和石灰巖在單軸壓力下電阻率變化的研究，得到電阻率改變量隨壓力變化的關系曲線如圖3。

根據所得結果，用麥克斯韋給出的電導率理論公式，以孔隙度的變化，分析了電阻率變化的原因:在低應力階段，巖石被壓密，孔隙度減小，電導率也在減小，使電阻率不斷增大;在高應力階段，巖石內部產生裂隙和破裂面，孔隙度開始增大，水和孔隙貫通，多種導電機制發揮作用后，電阻率可能繼續增大也可能發生巨變。柏林泗，等［14］對花崗巖、石英砂巖和釩鈦磁鐵礦進行了單軸應力下的電阻率測試，認為電阻率變化的總趨勢是下降的，加載初期電阻率下降是由于原始裂隙的閉合，密度增大，使導電能力增強;隨著壓力的增加，巖樣裂隙的發展、產生自由電子，使導電載體增多，導電能力得到增強，從而使電阻率下降。他們得到的結果正好相反。

郝錦綺，等［15］通過對磁鐵石英巖樣品的單軸壓縮實驗，并在巖樣的裂隙中注入食鹽溶液，經過反復的加載和卸載，利用電阻率層析成像技術，對實測的電阻率進行反演，利用重建出的巖樣內部真電阻率圖像，找到巖石宏觀電阻率變化的原因:巖石中裂隙的存在及所含液體的飽和狀態，是巖石在主破裂前控制電阻率變化的最主要因素;低應力狀態屬常態導電過程，孔隙度的變化是主要因素，高應力狀態屬裂隙表面導電機制，隨破裂面在巖體內部出現，水和孔隙有了完全貫通的平面，多種導電機制都發揮了作用。

3 受載條件下巖石電阻率的各向異性特征

3.1 受載巖石電阻率的各向異性

巖石是受到不同程度損傷的一種材料，內含微裂隙，有時還有宏觀的缺陷如裂紋、孔穴甚至節理等［16］，因此巖石本身是一種各向異性的介質。由于巖石的各向異性，其電阻率也會表現出各向異性的特征。關于巖石電阻率的各向異性特征，在地震預報方面的研究較多，朱濤，等［17］從實驗、野外測量、數值模擬方面以及在地震研究中的應用對巖石電阻率的各向異性做了概述。

北京大學地球物理系，等［18］通過巖石視電阻率與壓力關系的實驗，測定了13塊矽化灰巖不同方向上的視電阻率變化，結果視電阻率變化的方向性并不明顯。Teisseyre［19］模擬充滿流體的裂隙巖樣，研究了電阻率及其各向異性變化。考慮水的作用，安金珍，等［20］對2種不同規格的長方體水飽和花崗巖標本用四極法分別測量了無補給水和有補給水的電阻率。結果表明:電阻率變化表現出明顯的方向性，可以用電阻率變化最大的各向異性主軸方向表示，用4條測線、4種組合確定的4個電阻率變化各向異性主軸方向基本一致;加壓期間，各向異性主軸方向隨壓力增加發生變化，這種變化是有規則的躍變，在整個實驗過程中，多數標本只躍變1～3次，每次躍變形成一個主方向，在主方向內，角度變化不大。陸陽泉，等［21］對大型灰巖樣品從微裂到大破裂的電阻率前兆特征進行了研究，通過對樣品同一側面上、中、下3個部位與加載方向平行、垂直和成45°方向上電阻率的測量，得到電阻率與加載時間進程時間的關系，同時對與加載方向垂直和成45°方向上的測得的電阻率歸一化后得到了電阻率相對變化與加載進程時間和破壞應力百分比曲線。

該曲線顯示了電阻率變化的各向異性，在樣品的不同部位都記錄到較長時間的“趨勢”異常和臨近大破裂前的“短臨”突變。陳峰，等［22］考慮了巖石受力前電阻率是各向異性的情況，對3種非含巖成分的和一種含巖成分的原始電阻率各向異性的巖石標本，采用單軸壓縮、低圍壓三軸壓縮和剪切3種方式，用對稱四極法布極，并進行測線組合，對大、小剖面，大、小極距，測量不同剖面和深度的電阻率。結果表明:對于巖石原始電阻率各向異性標本，在電阻率各向異性方面，與巖石原始電阻率各項同性標本相似。即裂隙和破碎帶通過的測點，視電阻率變化各向異性結果好，4種組合求得的4個各向異性主軸方向趨向一致，且與破碎帶方向基本吻合;裂隙和破碎帶不經過區域的測點，4個視電阻率變化各向異性主軸方向不一致，或者根本求不出各向異性解(圖4)。

3.2 巖石電阻率各向異性與主壓力的關系

陳大元，等［23］進行了單軸壓力下電阻率各向異性的研究，認為電阻率與巖石的破裂方向密切相關，可用電阻率變化各向異性的主軸確定巖石破裂方向。為了得到受壓巖石電阻率的方向性特征，找到巖石電阻率變化的各向異性特征與主壓力之間的關系，陳有發［24］擬用了幾個典型的例子來說明。無論是單向受壓、單向循環加壓，還是圍壓條件下，從小的巖石標本到大的混凝土標本，再到天然礦體，其電阻率都隨壓力的變化呈明顯的方向性特征:沿壓力方向電阻率變化最小，垂直壓力方向電阻率變化最大，與壓力成45°夾角方向的電阻率變化居中，巖石電阻率變化的極小值方向始終指向主壓力方向，認為受壓巖石電阻率的各向異性特征可用于地震預報。

4 應力與電阻率關系的理論模型

金耀，等［25］在單軸壓縮下，分3次加載，同時測量了多裂隙含水輝長巖巖樣的電阻率和體積應變，發現電阻率變化和體積之間有很高的相關性，利用Archie公式作近似分析，找到了在不同變形階段電阻率相對變化與體積應變的關系式，見表1。

表1 各變形階段電阻率相對變化的近似式Tab.1 The approximation for relative changes of rock resistivity

但并沒有結合應力-應變的關系，進一步研究應力與電阻率的相關規律。

劉文忠，等［26］模擬儲層環境下的溫壓條件，對取自同一井中的的砂巖、灰巖和灰質角礫巖3種巖石樣品，在高溫高壓條件下測量其電阻率。結果表明壓力對電阻率的影響呈明顯的非線性，隨著溫壓的上升灰巖和灰質角礫巖的電阻率以對數形式下降，砂巖以指數形式下降。通過歸一化處理后，得到所測巖樣電阻率隨溫度和壓力變化的規律。

對灰巖和灰質角礫巖其電阻率公式為:

(式中:ρ為不同溫壓下的電阻率值，ρ0為常溫常壓下的電阻率值;P為壓力，P0取1MPa;T為不同的溫度值;A、B為兩個影響系數)，該公式只是根據實測電阻率的變化趨勢所得的擬合公式，還不能在理論上說明應力與電阻率的關系。

關于應力與巖石電阻率關系的理論研究還未開展起來，如能建立應力-電阻率的理論等效模型，同時又能耦合實驗得到的結果，就比較具有實用意義。

5 結語

電阻率是巖石受壓破壞過程中比較敏感的參數，但研究表明電阻率的變化形式各有不同，應進行大量的實驗對比分析。綜合考慮巖石的巖性，所處的環境，飽和度、礦化度、孔隙性和孔隙形狀等影響，對電阻率的變化特征進行分析和歸類，并深入到電阻率與應力的相關理論研究。通過受壓巖石電阻率的變化規律及其各向異性特征，不僅可以使電阻率監測技術應用于地震預報、礦產開發等方面，也可以應用在巖石工程中，解決與應力狀態相關的問題，為預測和采取相應控制措施提供依據。

鑒于目前在實驗研究中電阻率變化規律的差異性和沒有相應的理論研究，在今后的研究工作中應考慮以下方面:

1)對不同巖性的巖石進行試驗，考慮實際巖石所處的狀態，開展從單向受力到多向受力、從小尺度到大尺度巖樣電阻率變化的研究，同時考慮提高電阻率的測量精度，對不同的變化形式進行分析，得到巖石電阻率隨壓力的變化規律;

2)由于孔隙和裂隙的發展是影響巖石電阻率變化的最主要因素，可運用斷裂力學中的理論，結合經典的阿爾奇公式或其他相關模型和公式，建立應力-電阻率的理論關系，定量的找到巖石電阻率隨應力變化的規律。

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Research Review of Resistivity Variation Characteristics under Load Conditions on Rock

WANG Jun-xuan1，ZHAO Ming-jie1，SU Chu-ming2
(1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.Guangxi Shuangxiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd，Nanning 530011，Guangxi，China)

The paper summarizes the resistivity study under load conditions on the aspects of experimental regularity，anisotropic and so on，and hopes to get regular pattern of compressed rock resistivity change，then establish theoretical stressresistivity relationship，provide scientific basis for rock engineering in strength monitoring，damage prediction and stability evaluation.

rock;compression;stress;resistivity;anisotropic

P58;TU45

A

1674-0696(2011)03-0419-05

2010-11-15;

2011-03-10

王俊璇(1986-)，女，重慶人，碩士研究生，主要從事巖石力學和地基基礎方面的研究。E-mail:wangjunxuan333@163.com。