岩石中离子导电与介电

《岩石中离子导电与介电》可供岩石物理、地球物理、石油测井和石油物探等相关专业人员阅读，对于物质导电和介电特征、介电谱分析等的研究人员也有一定的帮助。《岩石中离子导电与介电》亦可作为关于岩石导电和介电特征的一部科普读物。

《岩石中离子导电与介电》以岩石中离子导电和介电为核心内容,论述岩石这类特殊的多孔介质的导电和介电相关理沦？内容涉及地质学？岩石学？地球物理？地球化学？电介质物理学和介电谱分析等？比较详尽地介绍常见岩石的导电和介电特征及其机理,阐述地层水以及水中各类离子在岩石导电和介电能力中所起的关键作用,对岩石的导电性？介电性和岩石电化学特征进行分析;还讨沦岩石在外加电磁场作用下的极化类型和极化弛豫的微观机制,介绍前人所建立的各种极化弛豫模型(Debye模型？Lorentz-Lorenz模型？Maxwell-Wagner模型和Cole-Cole模型等);最后,作者重点分析微观离子电容的模型,并介绍双电勘探技术的基础理论和研究成果？

 

目录
第1章岩石的组成与结构1
1.1黏土岩的组成和结构1
1.1.1黏土岩的矿物成分1
1.1.2黏土岩的化学成分1
1.1.3黏土矿物的结构2
1.1.4结晶黏土矿物的结构3
1.1.5黏土岩中的有机质5
1.1.6黏土矿物的脱水作用5
1.2碎屑岩的组成和结构6
1.2.1碎屑岩的矿物组成及其化学成分6
1.2.2碎屑岩的结构9
1.3碳酸盐岩的组成与结构13
1.3.1碳酸盐岩的矿物成分13
1.3.2碳酸盐岩的化学成分15
1.3.3碳酸盐岩的构造16
1.4页岩的组成与结构17
1.4.1页岩的组成矿物17
1.4.2页岩的物理特征17
1.4.3页岩的化学成分17
1.4.4页岩常见类型17
1.5硅岩及其组成18
1.5.1硅岩的矿物成分18
1.5.2硅岩的化学成分19
1.6金属矿物沉积岩19
1.6.1铁沉积岩及铁矿19
1.6.2锰沉积岩及锰矿20
1.6.3铝土岩及铝土矿20
1.6.4沉积磷酸盐岩及磷矿21
1.6.5铜沉积岩及铜矿21
1.7煤的组成21
第2章空隙与流体及其相互作用23
2.1空隙23
2.1.1空隙结构23
2.1.2空隙类型24
2.1.3碎屑岩空隙结构24
2.1.4碳酸盐岩空隙结构25
2.1.5喉道类型26
2.1.6孔喉的大小和分布26
2.2干酪根27
2.2.1干酪根的组成27
2.2.2干酪根的分类28
2.3油页岩29
2.4石油29
2.4.1石油的物理性质29
2.4.2石油的化学组成30
2.4.3石油的非烃组分30
2.4.4石油的分类31
2.5天然气32
2.5.1天然气的化学组成33
2.5.2天然气的类型33
2.6地层水34
2.6.1地层水的形成34
2.6.2地层水的分类35
2.6.3地层水矿化度37
2.6.4地层水的溶解度37
2.6.5地层水的化学组成38
2.7流体的运移39
2.7.1运移的类型39
2.7.2物理化学运移39
2.7.3水溶液中元素的运移形式40
2.7.4运移能力的影响因素40
2.8水岩化学作用41
2.8.1地层中的水岩化学作用41
2.8.2水岩化学作用的基本类型42
2.8.3水岩化学作用的影响因素45
第3章岩石导电机制与特征52
3.1基本概念和理论52
3.1.1岩石电阻率52
3.1.2岩石物理模型53
3.1.3岩石体积物理模型54
3.1.4比表面55
3.2地层水电阻率55
3.2.1离子溶液相关概念56
3.2.2地层水电阻率58
3.3导电矿物的类型及其特征60
3.4岩石电阻率分析61
3.4.1纯岩石电阻率与地层水电阻率的关系61
3.4.2电阻率增大系数与含水饱和度的关系62
3.4.3Archie实验的意义63
3.5岩石的导电机制分析63
3.5.1黏土矿物结构63
3.5.2孔隙中黏土矿物存在形式65
3.5.3黏土岩水化作用66
3.5.4岩石的阳离子交换作用66
3.6岩石导电模型70
3.6.1W-S导电模型70
3.6.2双水导电模型71
3.7岩石电化学作用76
3.7.1扩散电动势的产生76
3.7.2扩散电动势产生机理77
3.7.3扩散吸附电动势的产生80
3.7.4过滤电动势的产生81
第4章岩石介电机制与特征83
4.1电子的分布及其运动状态83
4.1.1核外电子分布83
4.1.2核外电子的运动状态84
4.2基本概念87
4.2.1基本概念87
4.2.2介质损耗90
4.3岩石空隙空间内电荷的位移91
4.3.1均匀场的电位移91
4.3.2束缚电荷的复杂位移93
4.3.3水分子的偶极矩和四极矩95
4.4电介质的微观极化机制96
4.4.1电子极化97
4.4.2离子极化98
4.4.3取向极化101
4.4.4界面极化103
4.4.5空间电荷的极化105
4.5电介质的微观理论基础107
4.5.1原子的基函数107
4.5.2莫塞莱定律110
4.5.3屏蔽常数112
4.5.4化学键理论113
第5章岩石类多孔介质的极化与弛豫120
5.1电介质极化弛豫过程120
5.2静电场中介质的极化121
5.2.1洛伦兹(Lorentz)有效场121
5.2.2洛伦兹修正场124
5.2.3昂萨格(Onsager)修正场125
5.3交变场中的极化弛豫126
5.3.1动态介电常数126
5.3.2Debye型弛豫131
5.3.3Cole-Cole模型132
5.3.4双势阱弛豫模型133
5.3.5Maxwell-Wagner模型134
5.3.6Bruggeman-Hanai理论137
5.3.7多相非均质介质模型138
5.4对离子极化理论139
5.4.1表面电导率139
5.4.2球形粒子的对离子极化理论140
5.5岩石非均匀体系的介电模型143
5.5.1两相非均匀体系143
5.5.2三相非均匀体系147
5.5.3多相非均匀体系151
第6章岩石双电探测理论与应用技术152
6.1双频激电技术152
6.1.1激发极化现象152
6.1.2不同矿物岩石的激发极化特点155
6.1.3Cole-Cole模型155
6.1.4影响岩石频率特性的因素157
6.2双电技术概述159
6.3微观离子电容模型160
6.3.1离子介电模型161
6.3.2微观离子电容162
6.4溶液双电参数实验测量162
6.4.1实验装置162
6.4.2实验步骤与测量163
6.4.3实验结果分析166
6.5岩心双电参数实验测量171
6.5.1岩心基础数据171
6.5.2实验步骤172
6.5.3饱和度与频散度的关系分析172
6.6导电矿物双电参数测量174
6.6.1导电矿石电阻电容测量174
6.6.2导电矿石电阻率电容率变化规律179
6.6.3实验结论180
6.7双电探测技术展望180
6.7.1双电理论基础180
6.7.2双电理论的发展181
6.7.3双电应用技术展望185
主要参考文献184
附录191
索引193
后记195
Contents
1. 1 Composition and Structure of Clay 1
1.1.1 Minerals of Clay 1
1. 1. 4 Structure of Crystal Clay Mineral 3
1.1.5 0rganicsin Clay 5
1. 2 Composition and Structure of Clastic Rock 6
1. 2. 1 Mineral and Chemical Compostion of Clastic Rock 6
1. 3 Composition and Structure of Carbonate Rock 13
1. 3. 2 Chemical Composition of Carbonate Rock 15
1. 4 Composition and Structure of Shale 17
1.4.1 Minerals of Shale 17
1. 4. 3 Chemical Composition of Shale 17
1. 5 Silicalite Rock and Its Composition 18
1. 5. 2 Chemincal Composition of Silicalite 19
1.6.2 Manganese Ore 20
1.6.4 Phosphorite 21
1.6.5 Coppermine 21
1.7 Composition of Coal 21
2.1.2 Types ofVoid 24
2. 1. 6 Size and Distribution of Void 26
2. 2. 2 Types of Kerogen 28
2. 4. 3 Non-hydrocarbon Composition of Oil 30
2. 6. 2 Classification of Formation Water 35
2. 6. 4 Solubility of Formation Water 37
2. 6. 5 Chemical Composition of Formation Water 38
2.7 Fluid Migration 39
2. 7. 3 Element Transformation in Fluid 40
2. 7. 4 Influence Factors of Migration 40
2. 8 Water-rock Chemical interaction 41
2. 8. 1 Water-rock Chemical Interaction in Formation 41
2. 8. 2 Types of Water-rock Chemical Interaction 42
2. 8. 3 Influence Factors of Water-rock Chemical Actions 45
3Conductive Mechanism and Characteristics of Rock 52
3.1.1 Rock Resistivity 52
3. 1. 3 Volumic Petrophysical Model 54
3. 2 Formation Water Resistivity 55
3. 3 Types and Characteristics of Conductive Mineral 60
3.4 Analysis of Rock Resistivity 61
3. 4. 2 Relationship between Resistivity Coeffecient and Sw 62
3. 4. 3 Significance of Archie Experiment 63
3. 5 Conductive Mechanism of Rock 63
3. 5.1 Molecular Structure of Clay 63 3. 6 Conductive Model of Rock 70
3.6.1 W-S Conductive Model 70
3. 7 Electriochemical Effects of Rock 76
3. 7. 3 ()ccurring of Diffusion-Absorption Potential 80
4Dielectric Mechanism and Characteristics of Rock 83
4. 1 Distribution and Movement of Electron 83
4.1. 2 MovementState of Electron 84
4. 3. 1 Electric Displacement in Homogeneous Field 91
4. 3. 2 Complex Displacement of Bound Charges 93
4. 3. 3 Dipole and QuadrapoleMoment of Water molecular 95
4. 4 Microscopic Polarization M

第1章岩石的组成与结构
地球是由地壳？地幔和地核构成的，而地壳是由大气圈下层？水圈？生物圈和岩石圈组成的？岩石圈主要包括三大类岩石，即岩浆岩？变质岩和沉积岩？沉积岩的分布面积非常广，约占地球陆地面积的75%？在石油勘探所涉及的岩石类型中，最主要的是沉积岩，沉积岩中最常见的是黏土岩？碎屑岩和化学岩(即碳酸盐岩)类？除了黏土岩？碎屑岩和碳酸盐岩以外，在石油勘探所涉及的范围内，还有其他几种岩类，如页岩？硅岩金属矿物沉积岩和煤等？本章主要介绍以上几类常见岩石类型的组成矿物？岩石结构等？
1.1黏土岩的组成和结构
黏土岩的矿物成分以黏土矿物为主，次为陆源碎屑物质？化学沉淀的非黏土矿物及有机质？其化学成分则以SiO2？Al2O3和H2O为主，其次是Fe？Mg？Ca？Na和K等元素的氧化物及一些微量元素？
1.1.1黏土岩的矿物成分
疏松或未固结成岩的矿物称为黏土，黏土岩是指黏土矿物含量大于50%的沉积岩？因黏土矿物本身的粒度很细小，黏土岩的粒度组分一般也很细小？黏土矿物的粒径一般都在0.005mm以下，甚至在0.001mm以下？因此，就粒度组分而论，小于0.005mm或小于0.0039mm的组分含量大于50%的岩石，称为黏土岩(clay)？
岩石学中还做如下精细划分:
(1)矿物粒径≤0.0039mm，矿物含量≥66.7%，为黏土岩;
(2)矿物粒径为0.0625~0.0039mm，矿物含量≥66.7%，为粉砂岩(siltstone);
(3)介于两者之间的过渡类型称为泥岩(argillite);
(4)把黏土岩？粉砂岩和泥岩统称为泥状岩或泥质岩？
构成黏土岩主要组分的黏土矿物大多数来自母岩风化的产物，并以悬浮方式搬运至汇水盆地，以机械方式沉积而成？由SiO2和Al2O3胶体的凝聚作用形成的自生黏土矿物，以及由火山碎屑物质蚀变形成的黏土矿物，在黏土岩中所占比例较少？因此，就形成机理而言，黏土岩类应归属陆源碎屑沉积岩？
1.1.2黏土岩的化学成分
黏土岩的化学成分主要为SiO2？Al2O3及H2O？在一般黏土岩中，这三类成分总量可达80%以上;其次为Fe2O3？FeO？MgO？CaO？Na2O和K2O等？不同黏土岩，化学成分变化较大，这主要取决于它的矿物成分？混入物？吸附的阳离子类型及含量？如高岭石黏土岩富含Al2O3，水云母黏土岩富含K2O，海泡石黏土岩富含MgO，陆源混入物含量较多的粉砂质黏土岩SiO2含量高？
黏土矿物常具有吸附各种离子的特性，常吸附的阴离子有PO43-？SO42-？Cl-和NO3-，阳离子有Ca2+？Mg2+？Na+？K+？H+以及Cu2+？Pb2+？Zn2+？B3+？Au+？Ag+？Hg2+？As3+？Th4+和U4+等？它们是使黏土岩化学成分多变的原因之一？黏土岩的化学成分与沉积环境有一定关系？有人认为，淡水黏土中高岭石含量较高，故MgO，K2O含量低于海相或湖相黏土;硼和某些放射性元素的含量在海相和非海相黏土中差异较大？这些观点至今仍在讨论和探索中？
1.1.3黏土矿物的结构
不同的研究角度划分黏土岩的结构，会有不同的划分方法？下面介绍主要的几种？
1.根据矿物成分划分
根据黏土矿物颗粒及粉砂？砂等碎屑物质的相对含量，可划分出如表1.1所示的结构类型？
黏土结构又称为泥质结构，几乎全由黏土质点组成，砂或粉砂级碎屑小于10%，以手触摸有滑腻感，用小刀切刮时，切面光滑，常呈鱼鳞状或贝壳状断口？
含粉砂黏土结构和粉砂黏土结构也可分别称为含粉砂泥质结构和粉砂泥质结构？这两种结构的岩石用手触摸具有粗糙感，刀切面不平整，断口粗糙？含砂黏土结构及砂质黏土结构也可分别称为含砂泥质结构和砂质泥质结构？这两种结构的岩石用手触摸具有明显的颗粒感觉，肉眼可见砂粒，断口呈参差状？
表1.1按黏土质点和粉砂(砂)相对含量划分的黏土岩结构类型
结构类型黏土含量/%黏土及粉砂含量/%
黏土结构>90<10
含粉砂黏土结构75~9010~25
粉砂质黏土结构50~7525~50
2.按黏土矿物的结晶程度及晶体形态划分
黏土矿物是一种含水的硅酸盐或铝硅酸盐，可分为非晶质和结晶质两大类？主要分类如下？
非晶质结构:很少见，仅见于水铝英石质的黏土岩中？
隐晶质结构:最为常见，在偏光显微镜下难以识别黏土矿物的晶形，电子显微镜下按晶形可分为超微片状？管状？纤维状？针状？束状和球粒状等各种结构？
显晶质结构:黏土矿物因重结晶而使晶体变粗，偏光显微镜下按黏土矿物晶形可分为显微鳞片？粒状和纤维状等结构？当黏土矿物强烈重结晶时，可变为粗大晶体？如高岭石重结晶可形成长20mm？直径达2~3mm的蠕虫状，称为蠕虫状结构？
3.按照黏土矿物的尺度划分
如果按照黏土矿物的尺度划分，黏土岩的构造可分为宏观和微观两种类型？
(1)宏观构造？黏土岩的大型宏观沉积构造包括各种层理(如水平层理？块状层理)？各种层面特征(如干裂？雨痕？虫迹？结核和晶体印痕)？水底滑动构造和搅混构造等？
具有水平层理构造的黏土岩，其水平细层的厚度小于1cm者称为页状层理或页理，它具有黏土岩沿层理方向易剥裂成页片的性质，是由于层状黏土矿物水平定向排列而具有易剥裂性的结果;水平细层的厚度小于1mm者称为纹理，在黏土岩中也较常见？
(2)显微构造？显微构造是在显微镜下才能见到的微观构造？黏土岩常见的显微构造有以下几种？
显微鳞片构造:由极细小的？排列方向不规则的黏土矿物组成，常见于泥岩中？
显微毡状构造:由极细小的鳞片状？纤维状黏土矿物错综交织杂乱排列而成，在正交光下，纤体交错消光？
显微定向构造:由极细小的鳞片状或纤维状黏土矿物沿层面定向排列而成，正交光下同时消光，常形成于无粗粒物质的缓慢沉积的较安静环境中？
1.1.4结晶黏土矿物的结构
因为黏土岩对于岩石的导电和介电起着非常关键的作用，所以我们要比较详细地介绍几种主要黏土矿物，如高岭石？蒙脱石？伊利石和绿泥石的结构和构型？
对于结晶型黏土矿物，又可细分为层状和链层状两种结构类型，最常见者为层状结构的黏土矿物？层状结构的黏土矿物由两种基本结构层组成:一种为硅氧四面体层，另一种为铝氧八面体层或镁氧八面体层？四面体和八面体基本结构层在空间上彼此以一定规律结合就形成了“结构单元层”？
根据结构单元层中各基本结构层相互结合的比例及叠置方式不同，可将层状结构黏土矿物的结构单元层分为以下三种类型？
1.1∶1型
1∶1型，由一层四面体层和一层八面体层叠置并连接在一起而构成？四面体层中不出现Si4+与Al3+的交代，八面体层中Al3+未被Mg2+与Fe3+交代，结构式为Al2[Si2O5](OH)4，在高岭石族矿物中常见，故称为高岭石型，属双层型结构单元层？高岭石的化学组成为Al4[Si4O10](OH)8，晶体属三斜晶系的层状结构的硅酸盐矿物？属1∶1型的结构单元层的二八面体型结构(图1.1)？高岭石结构单元层由硅氧四面体片与“氢氧铝石”八面体片连接形成的结构层沿C轴堆垛而成？层间没有阳离子或水分子存在，强氢键(O—OH=0.289nm)加强了结构层之间的连接？
2.2∶1型
2∶1型，属三层型结构单元层，即由两层四面体层夹一层八面体层构成，常见于蒙脱石和水云母族矿物，称为蒙脱石型？蒙脱石的化学组成为(Na，Ca)0.33(Al，Mg)2[Si4O10](OH)2？H2O，或者(Al2，Mg3)[Si4O10](OH)2.？H2O，其晶体属单斜晶系的含水层状结构硅酸盐矿物？蒙脱石属2∶1型结构单元层的二八面体型结构如图1.2所示？交换性阳离子Na+和Ca2+及水分子存在于相邻结构单元晶层之间？层间水分子在100~200℃时逐步失去，但并不破坏结构单元层的结构？蒙脱石颗粒细小，为0.2~1μm，具胶体分散特性，通常都呈块状或土状集合体产出？
图1.1高岭石(kaolinite)层状结构图1.2蒙脱石(montmorillonite)层状结构
伊利石的理想化学组成为K0.75(Al1.75R)[Si3.5Al0.5O10](OH)2，其晶体主要属单斜晶系的含水层状结构硅酸盐矿物(图1.3)？式中R代表二价金属阳离子，主要为Mg2+和Fe2+等？晶体结构与白云母的基本相同，也属于2∶1型结构单元层的二八面体型？
图1.3伊利石(illite)镜下薄片
3.2∶1∶1型
2∶1∶1型，由2∶1型结构单元层再叠置和连接一个似水镁石八面体层而构成？所叠置的八面体层可视为2∶1型结构单元的层间物，故也可归为2∶1型或三层型，常见于绿泥石族矿物？绿泥石的化学组成可表示为Y3[Z4O10](OH)2？Y3(OH)6？绿泥石晶体属单斜？三斜或正交(斜方)晶系的一族层状结构硅酸盐矿物(图1.4)？化学式中Y主要代表Mg2+？Fe2+？Al3+和Fe3+，在某些矿物(如镍绿泥石？锰绿泥石？锂硼绿泥石等)中还可以是Cr？Ni？Mn？V？Cu或Li;Z主要是Si4+和Al3+，偶尔可以是Fe3+或B3+？但通常所称的绿泥石，往往只指其中主要为Mg和Fe的矿物种，即斜绿泥石？鲕绿泥石等？还可根据Fe2+∶R2+(二价阳离子)的比值和Si原子数的不同再分出诸如叶绿泥石？鳞绿泥石等亚种？绿泥石的晶体结构由带负电荷的2∶1型结构单元层Y3[Z4O10](OH)2与带正电荷的八面体片Y3(OH)6交替组成？
图1.4绿泥石(chlorite)镜下薄片
表1.2列出了高岭石？蒙脱石？伊利石和绿泥石这几类主要黏土矿物的化学分子式和结构特征？
表1.2主要黏土矿物特征
黏土矿物化学式结构单元层形状及特征
1.1.5黏土岩中的有机质
黏土岩中常含有数量不等的有机质，而有机质的丰度以岩石中剩余有机碳含量？氨基酸总量以及氨基酸总量与剩余有机碳含量的比值作为衡量标准？剩余有机碳含量？氨基酸总量高，氨基酸总量与剩余有机碳含量比值低，则有机质丰度高，此类黏土岩即为良好的生油岩？这类黏土岩常呈深灰？灰黑或黑色，多形成于安静低能还原环境，如湖？海湾和深水盆地？这种环境对硫化铁的生成也是有利的，因此硫化铁矿物常与富含有机质的暗色黏土岩共生，如黄铁矿(pyrite)？
1.1.6黏土矿物的脱水作用
黏土岩之所以具有复杂的导电性，是和其中所含的地层水有很大关系的？黏土沉积物中通常存在以下四种水？
孔隙水:存在于黏土沉积物颗粒间的孔隙中，可以自由流动，又称为粒间水或自由水？
吸附水:由黏土颗粒表面的吸附作用而形成在颗粒表面的水化薄膜，又称为薄膜水？
层间水:以水分子形式存在于黏土矿物晶体结构单元层之间的水，也称为结晶水？
结构水:以OH-的形式出现于黏土矿物晶体结构内部，也称为化合水？
黏土沉积物沉积后，水可占沉积物总体积的70%~80%，其中以孔隙水占绝对优势？黏土沉积物被埋藏后，在上覆沉积负荷的重压下，首先排出孔隙水？随着埋深的加大，可以排出吸附水？层间水以至结构水？孔隙水和吸附水的排出，对黏土矿物的晶体结构并无影响;而层间水和结构水的排出，却会使晶体结构发生变化，转化为混层黏土，进而转化为在深层稳定的非混层黏土矿物，如伊利石？绿泥石等？层间水的排出是静电引力解吸作用的结果？从层间排出的水分子，转移到孔隙中而成为自由水？现以蒙脱石为例，说明随埋深的增加黏土矿物转化过程中的脱水作用？
根据伯斯特的研究，蒙脱石转化过程中的脱水作用可划分为如下三个阶段？
第一阶段，脱水作用主要由压实作用引起，埋藏深度为1000~1500m，所脱去的为孔隙水和过量的层间水(多于两层的)，黏土中的含水量减至30%，其中20%~25%为层间水，5%~10%为残留孔隙水？这是黏土矿物脱水速度最快的阶段？
第二阶段，是原生孔隙水脱出后最主要的一次脱水作用，其埋藏深度大于1500m，地温为60~130℃，主要是热力作用脱去残留层间水而转化为混层黏土矿物，并且随埋深加大，蒙脱石-伊利石混层中，蒙脱石层的比例逐渐减少？这一阶段所失去的水量为被压实体积的10%~15%？
第三阶段，埋深大于2700m，这一阶段因埋深继续增加和地温的继续升高，蒙脱石脱去最后一层残余层间水，最终转变为非混层的伊利石？这一阶段的地温常大于130℃，甚至大于170℃？
综上