地殼中的巖石實驗報告
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地殼中的巖石實驗報告
1．礦物
礦物一般是自然產出且內部質點（原子、離子）排列有序的均勻固體。其化學成分一定并可用化學式表達。所謂自然產出是指地球中的礦物都是由地質作用形成的。
地殼中存在的自然化合物和少數自然元素，具有相對固定的化學成分和性質。都是固態的（自然汞常溫液態除外）無機物。礦物是組成巖石的基礎。（地質博物館中有明確概念：一般而言礦物必須是均勻的固體。礦物必須具有特定的化學成分，一般而言礦物必須具有特定的結晶構造（非晶質礦物除外），礦物必須是無機物，所以煤和石油不屬于礦物。參考：南京地質博物館新館二樓）。
實驗室已經能夠制造出某些礦物晶體（但制造出來的不屬于礦物），如人工水晶、人工鉆石等。
已知的礦物約有4700種左右，在固態礦物中，絕大部分都屬于晶質礦物，只有極少數（如水鋁英石）屬于非晶質礦物。來自地球以外其他天體的天然單質或化合物，稱為宇宙礦物。由人工方法所獲得的某些與天然礦物相同或類同的單質或化合物，則稱為合成礦物如人造寶石。礦物原料和礦物材料是極為重要的一類天然資源。
2．巖石
巖石，是固態礦物或礦物的混合物，其中海面下的巖石稱為礁、暗礁及暗沙，由一種或多種礦物組成的，具有一定結構構造的集合體，也有少數包含有生物的遺骸或遺跡（即化石）。巖石有三態：固態、氣態（如天然氣）、液態（如石油），但主要是固態物質，是組成地殼的物質之一，是構成地球巖石圈的主要成分。
2.1巖漿巖
也稱火成巖。來自地球內部的熔融物質，在不同地質條件下冷凝固結而成的巖石。當熔漿由火山通道噴溢出地表凝固形成的巖石，稱噴出巖或稱火山巖。常見的火山巖有玄武巖、安山巖和流紋巖等。當熔巖上升未達地表而在地殼一定深度凝結而形成的巖石稱侵入巖，按侵入部位不同又分為深成巖和淺成巖。花崗巖、輝長巖、閃長巖是典型的深成巖。花崗斑巖、輝長玢巖和閃長玢巖是常見的淺成巖。根據化學組分又可將火成巖分為超基性巖（Si O 2，小于45%）、基性巖（Si O 2，45%～52%）、中性巖（Si O 2，52%～65%）、酸性巖（Si O2，大于65%）和堿性巖（含有特殊堿性礦物，SiO 2，52%～66%）。火成巖占地殼體積的64.7%。
地球內部的溫度和壓力都很高，所有組成物質…指礦物質?都呈現熔融狀態的流體，名為巖漿巖。火成巖即由於巖漿侵入地殼內部，或流出地表面造成熔巖，在經冷卻凝固而造成，如玄武巖及花崗巖等都是。火成巖是所有巖石中最原始的巖石。變質巖原來的火成巖或沉積巖，再經過地殼運動或巖漿侵入作用所發生的高溫和高壓與熱液的影響，可以改變其原來巖石的結構或組織，或使部分礦物消失，而產生他種新的礦物，因而成為另外一種與原巖不同的巖石，稱為變質巖，如大理巖變自石灰巖；板巖變自頁巖；石英巖變自砂巖等。典型的變質巖存在於前寒武紀或造山帶區域，常有區域構造相關之劈理，或礦物的變化。巖石的種類工農業及科學技術的各個部門。煤的化學成分很不穩定不是礦物，是典型的混合物。很多，但并不是每一種巖石都可以使用，這里除了審美的觀點之外，更重要的是石頭中的化學成分是否會影響水質，從而帶來負面影響。
2.2沉積巖
也稱水成巖。在地表常溫、常壓條件下，由風化物質、火山碎屑、有機物及少量宇宙物質經搬運、沉積和成巖作用形成的層狀巖石。沉積巖由顆粒物質和膠結物質組成。顆粒物質是指不同形狀及大小的巖屑及某些礦物，膠結物質的主要成分為碳酸鈣、氧化硅、氧化鐵及粘土質等。按成因可分為碎屑巖、粘土巖和化學巖( 包括生物化學巖) 。常見的沉積巖有砂巖、凝灰質砂巖、礫巖、粘土巖、頁巖、石灰巖、白云巖、硅質巖、鐵質巖、磷質巖等。沉積巖占地殼體積的7. 9%，但在地殼表層分布則甚廣，約占陸地面積的75%，而海底幾乎全部為沉積物所覆蓋。
沉積巖有兩個突出特征：一是具有層次，稱為層理構造。層與層的界面叫層面，通常下面的巖層比上面的巖層年齡古老。二是許多沉積巖中有“石質化”的古代生物的遺體或生存、活動的痕跡——化石，它是判定地質年齡和研究古地理環境的珍貴資料，被稱作是紀錄地球歷史的“書頁”和“文字”。
2.3變質巖
原有巖石經變質作用而形成的巖石。根據變質作用類型的不同，可將變質巖分為5類：動力變質巖、接觸變質巖、區域變質巖、混合巖和交代變質巖。常見的變質巖有糜棱巖、碎裂巖、角巖、板巖、千枚巖、片巖、片麻巖、大理巖、石英巖、角閃巖、片粒巖、榴輝巖、混合巖等。變質巖占地殼體積的27.4%。
火成巖、沉積巖、變質巖三者可以互相轉化。火成巖經沉積作用成為沉積巖，經變質作用成為變質巖。變質巖也可再次成為新的沉積巖，沉積巖經變質作用成為變質巖，沉積巖、變質巖可被熔化，再次成為火成巖。
巖石具有特定的比重、孔隙度、抗壓強度和抗拉強度等物理性質，是建筑、鉆探、掘進等工程需要考慮的因素，也是各種礦產資源賦存的載體，不同種類的巖石含有不同的礦產。以火成巖為例，基性超基性巖與親鐵元素，如鉻、鎳、鉑族元素、鈦、釩、鐵等有關；酸性巖與親石原素如鎢、錫、鉬、鈹、鋰、鈮、鉭、鈾有關；金剛石僅產于金伯利巖和鉀鎂煌斑巖中；鉻鐵礦多產于純橄欖巖中；中國華南燕山早期花崗巖中盛產鎢錫礦床；燕山晚期花崗巖中常形成獨立的錫礦及鈮、鉭、鈹礦床。石油和煤只生于沉積巖中。前寒武紀變質巖石中的鐵礦具有世界性。許多巖石本身也是重要的工業原料，如北京的漢白玉（一種白色大理巖）是聞名中外建筑裝飾材料，南京的雨花石、福建的壽山石、浙江的青田石是良好的工藝美術石材，即使那些不被人注意的河沙和卵石也是非常有用的建筑材料。許多巖石還是重要的中藥用原料，如麥飯石（一種中酸性脈巖）就是十分流行的藥用巖石。巖石還是構成旅游資源的重要因素，世界上的名山、大川、奇峰異洞都與巖石有關。我們祖先從石器時代起就開始利用巖石，在科學技術高度發展的今天，人們的衣、食、住、行、游、醫……無一能離開巖石。研究巖石、利用巖石、藏石、玩石、愛石已不再是科學家的專利，而逐漸變成廣大群眾生活的組成部分。
3．巖石物理學
巖石物理學是一門自然科學，專門研究巖石的各種物理性質和其產生機制；隸屬于地球物理學。巖石物理學既是物理學的一個獨立分支，又是地球物理學的一個重要組成部分。它是聯系地球物理學，巖石學，水文地質學，工程地質學，巖土力學等學科的紐帶和橋梁。巖石物理學是一門綜合性的邊緣學科。
3.1巖石物理性質指巖石的力學、熱學、電學、聲學、放射學等特性參數和物理量。礦物的物理性質包括：顏色、條痕、光澤、透明度、硬度、解理、斷口、脆性和延展性、彈性和撓性、相對密度、磁性、發光性、電性、其它性質。在力學特征中包括滲流特性和機械特性。
礦物按其磁性的不同可分為3類：
①反磁性礦物,如石英、磷灰石、閃鋅礦、方鉛礦等。磁化率為恒量，負值，且較小。
②順磁性礦物，大多數純凈礦物都屬于此類。磁化率為恒量,正值，也比較小。
③鐵磁性礦物,如磁鐵礦等含鐵、鈷、鎳元素的礦物。
磁化率不是恒量，為正值，且相當大。也可認為這是順磁性礦物中的一種特殊類型。巖石的磁性主要決定于組成巖石的礦物的磁性，并受成巖后地質作用過程的影響。
一般說，橄欖石、輝長石、玄武巖等基性、超基性巖漿巖的磁性最強；變質巖次之；沉積巖最弱。
①巖漿巖的磁性取決于巖石中鐵磁性礦物的含量。結構構造相同的巖石，鐵磁性礦物含量愈高，磁化率值愈大。鐵磁侵入巖的天然剩余磁化強度，按酸性、中性、基性、超基性的順序逐漸變大。鐵磁侵入巖的特點是Q值一般小于1。由接觸交代作用而形成的巖石，Q值可達1～3，甚至更大。
②沉積巖的磁性主要也是由鐵磁性礦物的含量決定的。分布最廣的沉積巖造巖礦物，如石英、方解石、長石、石膏等，為反磁性或弱順磁性礦物。菱鐵礦、鈦鐵礦、黑云母等礦物之純凈者是順磁性礦物；含鐵磁性礦物雜質者具有強順磁性。沉積巖的磁化率和天然剩余磁化強度值都比較小。
③變質巖的磁性是由其原始成分和變質過程決定的。原巖為沉積巖的變質巖，磁性一般比較弱；原巖為巖漿巖的變質巖在變質作用相同時，其磁性一般比原巖為沉積巖的變質巖強。大理巖和結晶灰巖為反磁性變質巖。巖石變質后，磁性也發生變化。蛇紋石化的巖石磁性比原巖強；云英巖化、粘土化、絹云母化和綠泥石化的巖石，磁性比原巖減弱。
巖石磁性的各向異性是巖石的層狀結構造成的。磁化率高，變質程度深的巖石，磁各向異性很明顯。褶皺區沉積巖的磁各向異性一般要比地臺區的大。
巖石的天然剩余磁化強度矢量是在巖石形成過程中，按當時當地的地磁場方向“凍結”下來的。這個矢量的指極性與現代地磁場方向一致的稱為正極性。巖石的年代愈古老，它的剩余磁化強度矢量的成分愈復雜。巖石剩余磁性由各種天然磁化過程形成。巖石在磁場中從居里點以上溫度冷卻時獲得的剩余磁性稱為熱剩余磁性；巖石中的鐵磁性物質在磁場中由于磁粘滯性而獲得的剩余磁性稱粘滯剩余磁性；沉積巖中的微小磁性顆粒在沉積過程中受磁場作用采取定向排列因而獲得的剩余磁性稱為沉積剩余磁性；沉積物中的鐵礦物沉積后，在磁場中經化學變化而獲得的剩余磁性稱化學剩余磁性；還有等溫剩余磁性是常溫下磁性物質在磁場中獲得的剩余磁性（見巖石磁性）。巖石的剩余磁性是古地磁學賴以建立的基礎。
巖石和礦物的磁性與溫度、壓力有關系。順磁性礦物的磁化率與溫度的關系遵循居里定律。鐵磁性礦物的居里溫度一般為300～700℃，其磁化率一般隨溫度升高而增大（可達50%），至居里溫度附近則迅速下降。鐵磁性礦物的磁化率與溫度的關系有兩種類型：一為可逆型，即在礦物加熱和冷卻過程中溫度相同時磁化率值相同，如純磁鐵礦、鈦鐵礦。另一種為不可逆型，即礦物加熱和冷卻過程中溫度相同時磁化率值不同，如對升溫不穩定的鐵磁性礦物。巖石加熱時，磁化率也逐步升高，至200～400℃迅速下降。巖石的磁化率和磁化強度值都隨壓力的增大而減小。
3.2地震巖石物理學
地震巖石物理研究主要是試圖建立地球物理勘探所獲得的物理量與地下巖石參數的定量對應關系，并快速理解儲層流體變化所引起的地震響應變化，增強和減小解釋的風險。地震巖石物理研究是連接地震和油藏工程的紐帶，也是地震資料預測油氣的物理基礎。
國外地震巖石物理研究的重點在于理論模型的建立和應用，著眼于研究成果的系統化和精細化。幾個主要研究機構的研究情況如下：
（1）休斯頓大學巖石物理實驗室（RockPhysicsLaboratory）休斯頓大學巖石物理實驗室長期從事巖石和流體特性的測試和特征研究，致力于從地震資料中提取儲層特征和流體特性。現階段研究的重點在4個方面：
①前沿勘探技術研究，包括高溫高壓條件下的超深油藏勘探開發等；
②儲層檢測技術研究，如時移地震響應特征的標定；
③非常規油藏的開發，如致密地層天然氣、重油和油頁巖油藏；
④深水沉積物含烴飽和度的地震評價。在20xx—20xx年的SEG 年會上，該機構共發表文章22篇，內容涉及巖石物理研究的諸多方面，包括不同流體狀態的AVO屬性研究、重油儲層特征研究、時移地震技術研究、速度頻散研究、深水儲層巖石速度研究、碳酸鹽巖的孔隙結構研究等。
（2）斯坦福大學巖石物理及井中地球物理項目組（Roc k Phys ics&Bor ehol e G e ophys i cs Proj ect）
斯坦福大學的一個重要的研究方向就是地球物理勘探領域的巖石物理研究。其現階段研究的重點包括：①多孔巖石介質的力學特性；②實驗室條件下，巖石、顆粒礦物和儲層流體的速度、衰減、滲透性測試分析；③多孔流體飽和介質地震波的傳播、衰減和頻散研究等。
（3）美國巖心公司（Cor eLab）
美國巖心公司致力于油藏最優化和采收率最大化，其關鍵的技術理念是：任何油藏優化措施都要基于對油藏復雜情況的詳細了解———巖石特性、天然氣、原油、水以及控制巖石內液體和氣體流動的機理。其3個業務單元（油藏描述、油氣增產、油藏管理）都與巖石物理研究密切相關：
①油藏描述，利用巖心和流體測試數據對測井和地震數據進行評價和標定，并通過對各相巖石特性的評價，最大程度提高油氣日產量及油田開采壽命中的總產量；
②油氣增產，通過實際油藏壓力和溫度條件下流體通過巖石的動態流動測試以及基于巖心聲波的各向異性研究，預測裂縫擴展方向，進而正演模擬實際驅替過程，建立科學的油田驅替方案，減少地層傷害的程度，最大程度的提高采收率；
③油藏管理，通過對油藏壓力、溫度、流動狀態進行研究，結合區域地質特性和巖石物性，實時了解油藏動態，進行高效管理。該公司擁有一整套巖心測試設備，全方位的'對測試數據進行測試，收集了世界范圍內許多機構的巖心測試信息，建立了油藏應用巖石物性綜合數據庫系統。
國內巖石物理研究則緊緊跟蹤了國外的技術發展，著眼于巖石物理理論模型的應用，主要包括以下幾方面：
①巖石物理理論模型適應性研究；
②實驗室巖心測試技術研究；
③儲層特征參數研究；
④巖石物理參數規律統計；
⑤儲層特征敏感參數識別；
⑥測井曲線的重構或生成。
在巖石物理研究中，速度是巖石物理研究乃至整個地球物理勘探領域的關鍵參數，理論模型則是其研究的基礎。這兩個關鍵貫穿于巖石物理研究的整個過程。
3.3巖石物理在油氣勘探中的應用
頁巖氣儲層巖石物理模型：由于含有機質頁巖儲層的復雜性，為了滿足不同的評價需求，很多學者提出了不同的頁巖儲層巖石物理模型。以評價頁巖儲層的總孔隙度和含水飽和度為目的，Al f r ed 等20xx年提出了一種新的有機頁巖巖石物理模型。該模型的基本思想是將巖石體積劃分為有機質體積和非有機質體積兩大體積系統。有機質體積系統主要包括干酪根骨和干酪根孔隙兩部分；非有機質體積系統主要包括固體非有機質骨架和非有機質孔隙兩部分。該模型的基本假設前提是認為干酪根孔隙中全部充滿油氣，即Swk＝0；而非干酪根骨架基質孔隙中全部充滿水，即Swk＝1，這種假設的好處是避免了利用常規測井資料計算頁巖中的含水飽和度，缺點是這種假設不符合實際頁巖氣地層的真實情況。實際頁巖氣儲層非干酪根骨架基質孔隙中應該是充滿了游離氣和水的。該模型計算頁巖地層總孔隙度的精度強烈地依賴于測井測量的體積密度曲線和測井評價的總有機碳含量值（TOC），若井眼條件較好，能夠獲得比較好的密度測井曲線，同時測井評價能夠提供比較精確的有機碳含量值，則該模型不失為一種好的頁巖孔隙度評價方法，但由于該模型的假設條件并不是很符合地層的真實情況，因此還有待進一步改進。以頁巖儲層原地含氣量評價為目的，Glorioso等20xx年提出的頁巖巖石物理模型比較合理適用。
他們把頁巖分成骨架和流體兩部分，骨架部分中考慮了干酪根的體積；在流體部分中，既考慮了干酪根孔隙中存儲的游離氣和其表面的吸附氣，又考慮了非有機質骨架基質孔隙中的游離氣。頁巖中的水主要是其骨架基質孔隙中的毛細管束縛水和黏土表面吸附的黏土水２部分。基于該巖石物理模型，比較容易建立頁巖儲層相應的測井評價模型。但頁巖的含水飽和度如何通過常規測井資料來確定，目前還是急需解決的難題；對于頁巖吸附氣含量的準確確定，在深入認識頁巖吸附氣機理上探索合適的吸附氣計算模型也是亟待解決的難題。基于頁巖儲層巖石物理研究，建立頁巖原地含氣量的評價方法是測井評價的最終目的。以往對頁巖原地含氣量（GIP）的計算主要是由實驗測量得到頁巖孔隙度和含水飽和度進而得到其游離氣含量，由吸附氣實驗計算得到其吸附氣含量，兩者的和即認為是GIP。但研究認為，吸附氣也占據了一定的體積空間，因此在計算總含氣量時，應該減掉吸附氣所占據的游離氣的體積空間，但是這部分體積究竟如何計算，目前還沒有很好的解決辦法。
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