岩石在受载条件下电阻率变化特征研究综述

王俊璇，赵明阶，苏初明

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074;2.广西双象岩土工程有限责任公司，广西 南宁 530011)

岩石在受载条件下电阻率变化特征研究综述

王俊璇1，赵明阶1，苏初明2

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074;2.广西双象岩土工程有限责任公司，广西 南宁 530011)

从实验测试、各向异性等方面对岩石在受载条件下电阻率变化特征进行了研究，得到受压岩石电阻率的变化规律，并建立了应力-电阻率的理论关系，为各类岩石工程的变形强度监测、破坏程度预测和稳定性评价提供了依据。

岩石;受压;应力;电阻率;各向异性

岩石电性是岩石物理力学性质之一，其电学参数可用电阻率来表示。研究受压岩石电阻率的变化特征，寻求电阻率与应力的关系，通过电阻率的变化规律反推岩石的力学性质，使电阻率监测技术运用于实际工程中，预测和评价工程岩石的破坏状态和稳定程度等，达到简单有效、无破坏无扰动的目的，以弥补静力学方法的局限。目前关于岩石在受载条件下电阻率变化特征的研究，在地震工程、地球物理勘探、油气开发等方面开展得较多，主要以实验研究为主。一部分学者通过对压力与电阻率相关性的研究，认为可利用电阻率进行油气勘探和预测矿山煤层的稳定性;另一部分学者对电阻率的各向异性进行了研究，想通过各向异性与力方向的关系了解地震前兆特征。但大都未深入到理论研究，还没有建立应力-电阻率的理论模型。

1 受压岩石电阻率的实验测试

1.1 岩石电阻率的测量方法

岩石电阻率的室内测量方法常用二极法和四极法［1］。二极法是把电极对称布置在岩石样品的2个对面上，通过测量电阻值R，岩样长度L和横截面积S，利用公式ρ=R(S/L)来计算电阻率值ρ。二极法可以进行整个岩芯的电阻率测量，并且其孔隙度和含水饱和度也能够测量［2］。目前用得较多的是四极法，它可以消除接触电阻的影响，根据供电电极流过的电流I，测量电极间的电压差ΔU，得到电阻率ρ:ρ=K(ΔU/I)(K为装置系数)。其测量原理如图1。

1.2 岩石电阻率变化的影响因素

按导电特性的不同，岩石可分为2类:一是离子导电的岩石，即含有离子导体(电解液)和有孔隙(裂隙)水极化效应的岩石(这种岩石主要是含水的孔隙性沉积岩，尤其是碎屑岩、裂隙发育的岩浆岩及变质岩，其电阻率的大小取决于岩石孔隙中所含液体的性质，溶液的浓度和含量等);二是电子导电的岩石，即没有离子导体(电解液)和没有孔隙(裂隙)水极化效应的岩石(这类岩石大都非常致密，有孔隙和裂隙，但不含水，其电阻率主要由所含导电矿物的性质和含量决定)。

在受到压力作用时，压力对电阻率的影响反映在 3 个方面［3］:

1)岩石在压力的作用下要产生裂隙甚至破碎;

2)压力的作用使岩石中的孔隙闭合;

3)在高压下岩石的化学成分要发生变化。

图1 受压岩石电阻率的测量Fig.1 Rock resistivity measurements in press

图2 3种岩样电阻率和应力关系曲线Fig.2 The relation between resistivity and stress of three kinds of rock samples

2 受载条件下岩石电阻率的变化规律

2.1 受载岩石电阻率变化的实验规律

20 世纪60 年代，Brace 和 Orange［4］用二极法对岩石在破裂过程中的电阻率变化作了研究，以Brace的研究方法为基础，张中天，等［5］对淡水和盐水饱和的辉长岩、花岗岩Ⅰ和Ⅱ 三种岩样在1.2 kB围压下进行了压缩实验，并展开到破裂后的摩擦滑动阶段，得到岩样电阻率和应力关系曲线如图2。

考虑实际孕震过程的复杂性，陈大元，等［6］对不同饱和度花岗岩施加单轴压力，研究了“应力反复”对电阻率的影响。陈峰，等［7］研究了承载花岗岩标本在有弹性约束条件下的电阻率变化。结果表明:电阻率随压力变化的总体形态为上升-平稳-下降的变化，随着压力的增加，电阻率下降，在接近破坏时电阻率下降较快。

曲斌，等［8］通过对储层环境的模拟，研究了在不同压力下储层特征岩心电阻率的变化，同时对比饱和原油和饱和水样品，得出了储层特征岩心电阻率与压力的关系:电阻率随压力增大而增大，且呈e的指数形式变化，但变化梯度较小。

李德春，等［9］通过一种改进的电阻率测量方法，测量了典型的煤矿岩样(泥岩、砂岩、灰岩和煤)受压至破坏过程中的电阻率，得到不同类型的电阻率和压力的关系曲线。陆海龙，等［10］对煤样进行了单轴压缩，通过对比不同硬度的煤样，分析了其电阻率的变化特征。王云刚［11］对大尺度有冲击倾向煤体同样进行了单轴压缩试验，研究了其电阻率的变化。研究结果显示:电阻率随压力的增加而减小，当减小到最小值后会随压力的增加而增大，直到发生破坏。

2.2 受载岩石电阻率变化的机理分析

张宁生，等［12］研究了围压对饱和流体岩心电阻率的影响规律，认为内外压差使多孔介质的孔隙受到压缩，孔隙度变小，导电通道形成更大曲折;横截面积减小，电解质中的离子运移变得困难，电阻率会随压差的增大而变大。姜文龙，等［13］通过对石英砂岩和石灰岩在单轴压力下电阻率变化的研究，得到电阻率改变量随压力变化的关系曲线如图3。

根据所得结果，用麦克斯韦给出的电导率理论公式，以孔隙度的变化，分析了电阻率变化的原因:在低应力阶段，岩石被压密，孔隙度减小，电导率也在减小，使电阻率不断增大;在高应力阶段，岩石内部产生裂隙和破裂面，孔隙度开始增大，水和孔隙贯通，多种导电机制发挥作用后，电阻率可能继续增大也可能发生巨变。柏林泗，等［14］对花岗岩、石英砂岩和钒钛磁铁矿进行了单轴应力下的电阻率测试，认为电阻率变化的总趋势是下降的，加载初期电阻率下降是由于原始裂隙的闭合，密度增大，使导电能力增强;随着压力的增加，岩样裂隙的发展、产生自由电子，使导电载体增多，导电能力得到增强，从而使电阻率下降。他们得到的结果正好相反。

郝锦绮，等［15］通过对磁铁石英岩样品的单轴压缩实验，并在岩样的裂隙中注入食盐溶液，经过反复的加载和卸载，利用电阻率层析成像技术，对实测的电阻率进行反演，利用重建出的岩样内部真电阻率图像，找到岩石宏观电阻率变化的原因:岩石中裂隙的存在及所含液体的饱和状态，是岩石在主破裂前控制电阻率变化的最主要因素;低应力状态属常态导电过程，孔隙度的变化是主要因素，高应力状态属裂隙表面导电机制，随破裂面在岩体内部出现，水和孔隙有了完全贯通的平面，多种导电机制都发挥了作用。

3 受载条件下岩石电阻率的各向异性特征

3.1 受载岩石电阻率的各向异性

岩石是受到不同程度损伤的一种材料，内含微裂隙，有时还有宏观的缺陷如裂纹、孔穴甚至节理等［16］，因此岩石本身是一种各向异性的介质。由于岩石的各向异性，其电阻率也会表现出各向异性的特征。关于岩石电阻率的各向异性特征，在地震预报方面的研究较多，朱涛，等［17］从实验、野外测量、数值模拟方面以及在地震研究中的应用对岩石电阻率的各向异性做了概述。

北京大学地球物理系，等［18］通过岩石视电阻率与压力关系的实验，测定了13块矽化灰岩不同方向上的视电阻率变化，结果视电阻率变化的方向性并不明显。Teisseyre［19］模拟充满流体的裂隙岩样，研究了电阻率及其各向异性变化。考虑水的作用，安金珍，等［20］对2种不同规格的长方体水饱和花岗岩标本用四极法分别测量了无补给水和有补给水的电阻率。结果表明:电阻率变化表现出明显的方向性，可以用电阻率变化最大的各向异性主轴方向表示，用4条测线、4种组合确定的4个电阻率变化各向异性主轴方向基本一致;加压期间，各向异性主轴方向随压力增加发生变化，这种变化是有规则的跃变，在整个实验过程中，多数标本只跃变1～3次，每次跃变形成一个主方向，在主方向内，角度变化不大。陆阳泉，等［21］对大型灰岩样品从微裂到大破裂的电阻率前兆特征进行了研究，通过对样品同一侧面上、中、下3个部位与加载方向平行、垂直和成45°方向上电阻率的测量，得到电阻率与加载时间进程时间的关系，同时对与加载方向垂直和成45°方向上的测得的电阻率归一化后得到了电阻率相对变化与加载进程时间和破坏应力百分比曲线。

该曲线显示了电阻率变化的各向异性，在样品的不同部位都记录到较长时间的“趋势”异常和临近大破裂前的“短临”突变。陈峰，等［22］考虑了岩石受力前电阻率是各向异性的情况，对3种非含岩成分的和一种含岩成分的原始电阻率各向异性的岩石标本，采用单轴压缩、低围压三轴压缩和剪切3种方式，用对称四极法布极，并进行测线组合，对大、小剖面，大、小极距，测量不同剖面和深度的电阻率。结果表明:对于岩石原始电阻率各向异性标本，在电阻率各向异性方面，与岩石原始电阻率各项同性标本相似。即裂隙和破碎带通过的测点，视电阻率变化各向异性结果好，4种组合求得的4个各向异性主轴方向趋向一致，且与破碎带方向基本吻合;裂隙和破碎带不经过区域的测点，4个视电阻率变化各向异性主轴方向不一致，或者根本求不出各向异性解(图4)。

3.2 岩石电阻率各向异性与主压力的关系

陈大元，等［23］进行了单轴压力下电阻率各向异性的研究，认为电阻率与岩石的破裂方向密切相关，可用电阻率变化各向异性的主轴确定岩石破裂方向。为了得到受压岩石电阻率的方向性特征，找到岩石电阻率变化的各向异性特征与主压力之间的关系，陈有发［24］拟用了几个典型的例子来说明。无论是单向受压、单向循环加压，还是围压条件下，从小的岩石标本到大的混凝土标本，再到天然矿体，其电阻率都随压力的变化呈明显的方向性特征:沿压力方向电阻率变化最小，垂直压力方向电阻率变化最大，与压力成45°夹角方向的电阻率变化居中，岩石电阻率变化的极小值方向始终指向主压力方向，认为受压岩石电阻率的各向异性特征可用于地震预报。

4 应力与电阻率关系的理论模型

金耀，等［25］在单轴压缩下，分3次加载，同时测量了多裂隙含水辉长岩岩样的电阻率和体积应变，发现电阻率变化和体积之间有很高的相关性，利用Archie公式作近似分析，找到了在不同变形阶段电阻率相对变化与体积应变的关系式，见表1。

表1 各变形阶段电阻率相对变化的近似式Tab.1 The approximation for relative changes of rock resistivity

但并没有结合应力-应变的关系，进一步研究应力与电阻率的相关规律。

刘文忠，等［26］模拟储层环境下的温压条件，对取自同一井中的的砂岩、灰岩和灰质角砾岩3种岩石样品，在高温高压条件下测量其电阻率。结果表明压力对电阻率的影响呈明显的非线性，随着温压的上升灰岩和灰质角砾岩的电阻率以对数形式下降，砂岩以指数形式下降。通过归一化处理后，得到所测岩样电阻率随温度和压力变化的规律。

对灰岩和灰质角砾岩其电阻率公式为:

(式中:ρ为不同温压下的电阻率值，ρ0为常温常压下的电阻率值;P为压力，P0取1MPa;T为不同的温度值;A、B为两个影响系数)，该公式只是根据实测电阻率的变化趋势所得的拟合公式，还不能在理论上说明应力与电阻率的关系。

关于应力与岩石电阻率关系的理论研究还未开展起来，如能建立应力-电阻率的理论等效模型，同时又能耦合实验得到的结果，就比较具有实用意义。

5 结语

电阻率是岩石受压破坏过程中比较敏感的参数，但研究表明电阻率的变化形式各有不同，应进行大量的实验对比分析。综合考虑岩石的岩性，所处的环境，饱和度、矿化度、孔隙性和孔隙形状等影响，对电阻率的变化特征进行分析和归类，并深入到电阻率与应力的相关理论研究。通过受压岩石电阻率的变化规律及其各向异性特征，不仅可以使电阻率监测技术应用于地震预报、矿产开发等方面，也可以应用在岩石工程中，解决与应力状态相关的问题，为预测和采取相应控制措施提供依据。

鉴于目前在实验研究中电阻率变化规律的差异性和没有相应的理论研究，在今后的研究工作中应考虑以下方面:

1)对不同岩性的岩石进行试验，考虑实际岩石所处的状态，开展从单向受力到多向受力、从小尺度到大尺度岩样电阻率变化的研究，同时考虑提高电阻率的测量精度，对不同的变化形式进行分析，得到岩石电阻率随压力的变化规律;

2)由于孔隙和裂隙的发展是影响岩石电阻率变化的最主要因素，可运用断裂力学中的理论，结合经典的阿尔奇公式或其他相关模型和公式，建立应力-电阻率的理论关系，定量的找到岩石电阻率随应力变化的规律。

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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，重庆人，硕士研究生，主要从事岩石力学和地基基础方面的研究。E-mail:wangjunxuan333@163.com。