孔 璞，孔 然，謝夢(mèng)謙，李松柏

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611230；2.云南省核工業(yè)二〇九地質(zhì)大隊(duì)，云南 昆明 650032）

隨著中國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西南地區(qū)機(jī)場(chǎng)建設(shè)進(jìn)入迅猛發(fā)展階段[1]。且云南屬云貴高原，山谷眾多，不利于飛機(jī)的飛行，本次研究的機(jī)場(chǎng)工程建設(shè)場(chǎng)區(qū)位于山頂，區(qū)域構(gòu)造及地形地貌條件復(fù)雜，地表高差較大，在上部覆壓高填方填筑體荷載作用下，下覆灰?guī)r的穩(wěn)定性對(duì)機(jī)場(chǎng)的建設(shè)、機(jī)場(chǎng)跑道的穩(wěn)定性等方面具有非常重要的意義。因此通過縱、橫波速度及密度等資料，研究下覆灰?guī)r的巖石物理規(guī)律可為下一步進(jìn)行機(jī)場(chǎng)建設(shè)及施工提供可靠基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)，使得工程設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性，施工措施更具準(zhǔn)確性和合理性。

1 樣品特征與測(cè)量

工區(qū)內(nèi)發(fā)育大套石炭系碳酸鹽巖，以淺灰、灰色層微泥晶生物碎屑灰?guī)r、粉細(xì)晶顆?；?guī)r為主，夾微泥晶灰?guī)r組成?？紫额愋椭饕粤?nèi)、粒間溶孔及裂隙為主。選取區(qū)域內(nèi)不同位置井中具有代表性的樣品，即88 塊灰?guī)r樣，將采取的樣品加工為長度25～65 mm不等、直徑25 mm 的圓柱體，同時(shí)將樣品2 個(gè)端面磨平，無凹凸和小顆粒[2]，如圖1 所示。利用脈沖穿透法對(duì)樣品進(jìn)行速度測(cè)量。儀器配套PZT 高溫、高壓換能器為一種寬頻段三分量換能器，其縱波中心頻率為800 kHz，橫波中心頻率為500 kHz。應(yīng)用這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器可以將圍壓最大加載到90 MPa。測(cè)量過程中，起始圍壓設(shè)置為2 MPa，每隔2 MPa 測(cè)量一次，當(dāng)圍壓超過10 MPa 以后，圍壓變?yōu)槊扛? MPa 測(cè)量一次。實(shí)驗(yàn)過程中，首先將樣品放在溫度為80 ℃的干燥箱中均勻烘干48 h 以上，保證樣品處于相對(duì)干燥的狀態(tài)，將烘干后的樣品取出放置于常溫環(huán)境中，保持24 h 以上，然后放在超聲實(shí)驗(yàn)裝置的密閉夾持器中，測(cè)定干燥條件下巖石的縱波和橫波速度。

圖1 巖石樣品制備

2 巖石物理特征

2.1 壓力對(duì)巖石彈性性質(zhì)的影響

圖2 給出了干燥條件下灰?guī)r樣品波速度隨有效壓力變化的特征。從圖中可以看出縱、橫波速度隨著壓力增加而增大。此外，圖中呈現(xiàn)了2 種不同的速度變化形態(tài)，第一種變化特征以A1 號(hào)樣品為例，樣品孔隙度較小，縱波速度隨壓力的增加呈近似線性變化，在壓力作用下速度變化率較低（縱波速度增加10.2%）；第二種特征變化以A6 樣品為例，樣品孔隙度為13%，在壓力小于15 MPa 時(shí)，縱波速度隨壓力增加呈非線性增大，當(dāng)壓力大于15 MPa 后，縱波速度隨壓力增加速度呈近似線性增大，且在整個(gè)壓力范圍內(nèi)樣品速度變化較大（縱波速度增加40%）。第一種變化趨勢(shì)反映了巖石孔隙主要以剛性孔隙為主，如溶蝕孔等，在壓力作用下僅有較小的孔隙壓縮；第二種變化特征則反映了在壓力作用下巖石中的微裂隙逐漸閉合[3]，巖石的速度增加較快（非線性增加），當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，巖石中的可壓縮的微裂隙基本閉合，繼續(xù)增加壓力巖石速度呈近似線性增加反映了硬孔隙的影響。

圖2 干燥條件下不同孔隙度樣品速度隨壓力變化關(guān)系

2.2 流體作用對(duì)巖石速度特征的影響

當(dāng)巖石孔隙中含流體時(shí)會(huì)引起飽和巖石密度與彈性模量的變化。為了更好地刻畫含流體后巖石的彈性模量，通常用Gassmann 方程來定量描述孔隙流體發(fā)生變化時(shí)介質(zhì)有效彈性模量的相應(yīng)變化[4-6]，即可通過Gassmann 方程預(yù)測(cè)巖石含流體后的速度特征。

圖3 為樣品在干燥及飽和水情況下的速度隨壓力變化特征，同時(shí)圖中增加了Gassmann 方程預(yù)測(cè)的速度結(jié)果。從圖中不難看出，樣品在水飽和后縱波速度均明顯增大，隨著壓力的增加水飽和后樣品縱波速度與相同壓力下干燥時(shí)縱波速度差異存在減小趨勢(shì)。對(duì)于低孔隙度樣品，整個(gè)壓力范圍內(nèi)，Gassmann 方程預(yù)測(cè)的縱波速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高；對(duì)于高孔隙度樣品，在壓力較小時(shí)，Gassmann 方程預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定差異，隨著壓力增加二者速度曲線逐漸趨近，差異逐漸減少[6]。由此說明，在實(shí)際工作中可通過Gassmann 方程快速預(yù)測(cè)該區(qū)低孔隙度巖石及高壓力下的巖石速度。

圖3 不同孔隙度樣品速度隨壓力變化特征

2.3 統(tǒng)計(jì)關(guān)系特征

圖4 給出了巖石樣品實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)的縱波速度與密度關(guān)系，黑色散點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中明顯反應(yīng)出巖石樣品縱波速度與密度呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系，即隨著密度增大縱波速度增大。圖中同時(shí)附加了Castagna[6]灰?guī)r關(guān)系式，從圖中明顯看出，縱波速度較低的樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Castagna 關(guān)系具有較高的吻合度，但是縱波速度較大的樣品則呈現(xiàn)出Castagna 擬合關(guān)系式有一定偏差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體高于Castagna 關(guān)系式。由此可見，對(duì)于該地區(qū)灰?guī)r，不能直接采用Castagna 擬合關(guān)系式進(jìn)行速度與密度關(guān)系分析，需要建立適合該區(qū)的關(guān)系式。針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合公式如下：

圖4 樣品縱波速度與密度關(guān)系

式（1）中：ρ為巖石密度；Vp為巖石縱波速度。

圖5 給出了進(jìn)行統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后作出縱波速度和橫波速度交會(huì)分析，黑色散點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，從圖中明顯看出樣品的縱、橫波關(guān)系呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系，圖中附加了Pickett 經(jīng)驗(yàn)式和Castagna 灰?guī)r關(guān)系式，上述2 個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式對(duì)于速度較高的樣品均存在不程度的預(yù)測(cè)偏差。對(duì)本次研究區(qū)灰?guī)r實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，更好地表達(dá)了該區(qū)縱、橫波關(guān)系，擬合公式如下：

圖5 縱、橫波速度關(guān)系

式（2）中：Vs為巖石橫波速度。

3 結(jié)論

本文以云南西部某機(jī)場(chǎng)工區(qū)下覆基巖為研究對(duì)象，選取工區(qū)內(nèi)不同位置鉆孔采樣，利用巖心參數(shù)實(shí)驗(yàn)儀器超聲波脈沖穿透法測(cè)試得到樣品縱、橫波速度，同時(shí)開展壓力下的巖石速度實(shí)驗(yàn)，得到了干燥狀態(tài)下的巖石樣品波速度隨有效壓力變化特征。對(duì)飽和水巖石樣品進(jìn)行不同圍限壓力的速度實(shí)驗(yàn)并與Gassmann方程預(yù)測(cè)巖石速度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)于低孔隙度樣品Gassmann 方程預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合度較高。此外，根據(jù)測(cè)試得到樣品縱、橫波速度建立該區(qū)域的密度-速度及縱、橫波關(guān)系模型，能夠更好地反映該地區(qū)灰?guī)r性質(zhì)，但由于巖石物理的區(qū)域局限性，在其他區(qū)域使用時(shí)需要進(jìn)行校正，不能隨意外推。