基于太赫兹时域光谱技术的砂岩沉积作用模拟研究

陈星洁 秦凡凯 张国林 宝日玛

摘要：为模拟地质构造环境，选用石英砂颗粒作为模拟岩石的主要成分，与聚乙烯颗粒按一定比例混合后压片，并进行太赫兹光谱测试。实验发现质量分数为35%聚乙烯65%石英砂样品对太赫兹波的吸收随压力增加而增强，这与压力增大导致样品的密度增加有关，而50%聚乙烯50%石英砂样品对太赫兹波的吸收随压力增加先增强而后减弱，吸收减小与不同成分排列状况改变有关。实验表明，太赫兹光谱信息可以表征通常地质演化过程中随着埋深增加负荷加大而压实作用加强的过程，以及在特定的地质环境中，压实作用加强趋势受阻的过程。

关键词：砂岩；沉积作用；压实作用；太赫兹时域光谱

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）33-0089-03

一、引言

压实作用影响了砂岩中颗粒的孔隙结构和分布[1]。通常情况下，负荷越大压实作用表现得越强烈，各组成成分在空间分布上更为致密。但在某些特殊的地质作用下，负荷增加所产生的压实作用并不显著甚至有所减缓，对于分析归纳负荷对砂岩沉积过程的普遍作用不利[2]。

模拟砂岩要求通过某种技术手段测量相关参数，进而建立模型描述压实作用的效果。由于不同物质对于光波的响应不同，产生了吸收、散射等作用效果，光学手段可用来检测、推测某种物质的分布状况。太赫兹波是频率处于0.1THz—10THz的电磁波，波长介于微波和光波之间，属于远红外辐射；太赫兹脉冲有较强的穿透能力，能够穿过一定厚度的物质，并从幅值、相位或光学参数载荷物质成分、结构信息。本文应用太赫兹波检测岩石模拟压片样品、通过光谱分析负载对砂岩的压实作用，为沉积岩沉积状况、压实作用的评价提供新的信息[3]。

二、实验过程

筛选60目—80目的石英砂颗粒，进行烘干处理（105摄氏度，4小时），以消除洗砂过程中掺入的水和吸附水汽。石英砂和聚乙烯颗粒进行混合后作为原料进行压片，每个样品的压片时间为5min，每个压片的质量为2g，直径为30mm，厚度约为2mm按质量分数分为35%聚乙烯、65%石英砂和50%聚乙烯、50%石英砂两组，直径为30mm，厚度约为2mm。样品通过太赫兹光谱仪进行测试，测量时太赫兹波垂直于底面入射，得到太赫兹时域光谱，从而分析时域峰值强度随压力变化的变化趋势。

三、实验结果与讨论

太赫兹波在经过样品后幅值上有一定的衰减，并产生了一定的信号延时（如图1所示），时域信号在波形上有一定的变化，这是因为不同频率的分量经过样品时传播速度不同。

分别取各信号的时域峰值，做出压力-峰值曲线，可以得图2。

实验发现，50%石英砂、50%聚乙烯的一组样品中，时域峰值随着压力增加先降低再上升（如图2所示），即样品对太赫兹波的吸收先增大后减小；65%石英砂、35%聚乙烯的一组样品中，时域峰值随着压力的增加而降低，即样品对太赫兹波的吸收随压力增大而增强。

在实验中，压片压力模拟了地层中岩石的负荷，压力越大表示地层负荷越高。石英砂和聚乙烯对太赫兹的透过性能差异明显，石英砂吸收太赫兹波的能力强而聚乙烯对太赫兹波的透过性良好。当压力增加时，由于石英砂是脆性材料，聚乙烯颗粒发生了明显的变形并填充了孔隙，使得样品中石英砂的体积分数上升，石英砂成分更加致密，因而对太赫兹波吸收作用起主导作用，使得太赫兹波的透射强度下降；而50%石英砂、50%聚乙烯颗粒的样品中，二者的体积分数明显不相等，聚乙烯所占的体积和颗粒数目都有较大优势。压力较大时，颗粒滑移可能会使样品内两种成分的排列状况发生变化，从而引起样品对太赫兹波吸收的改变。颗粒排列方式的变化也会引起样品内部太赫兹波散射状况的变化，使得压力—峰值关系发生了改变。

相关研究资料显示[4]，压实作用的缓变带中孔隙度和承载压力之间存在良好的线性关系，孔隙度随压力增大而降低。本实验中，65%石英砂、35%聚乙烯样品的太赫兹信号时域峰值随压力变化的趋势成良好的线性，说明了压实作用在该组分中能够得到较充分的体现，在这个压力段聚乙烯发生了变形。

压力增大可以模拟碎屑、填隙物沉积过程中沉积岩埋藏深度的增加。通常情况下，埋深增加后砂岩的负荷增大而导致压实作用增强，但由于构造应力等原因，常造成局部地区的压力异常。构造压实作用对储集层物性的影响具有两面性：一方面随着构造应力增大，构造压实作用和构造成岩作用加强，储集层孔隙度、渗透率降低，尤其是渗透率下降显著；另一方面随着构造挤压作用增强，砂岩致密化程度增强，砂岩中易于发育裂缝，从而形成渗滤性能良好的裂缝性储集层[1，5]。在两种不同成分配比的样品中，出现了两种不同的压力—峰值关系，体现出了这种双重作用，这种双重作用所表现的主要方面可能与砂岩成分有关，可以反映在样品的太赫兹波吸收能力上。太赫兹吸收能力的差异是主要由物质结构变化引起的，而非物质成分的差异引起的。

以上实验现象表明，太赫兹信息可以表征通常地质演化过程中随着埋深增加负荷增大而压实作用增强的过程，以及在特定的地质环境中压实作用趋势可能受阻的过程。

四、结论

沉积岩的形成、演化与成岩成分和成岩地质环境有密切的联系，不同的成分与地质环境将对砂岩的沉积产生不同的影响。压实作用是最主要的成岩作用之一，对砂岩的沉积产生重要的影响。基于太赫兹波的砂岩沉积作用研究，基础是不同物质对太赫兹波的不同响应。用短时间的、可控的压力替代自然状态下的地质压力，用质量和成分已知的物质代替了成分结构复杂的自然砂岩，有利于开展研究和分析。太赫兹时域信号的峰值强度体现了物质对太赫兹波的吸收能力，进而反映了不同物质在样品中经过压片后所处的状态。在成分上，选用两个比较有代表的典型比例：50%聚乙烯、50%石英砂在质量上是均等的，同时是判断某岩石为砂岩的临界值；35%聚乙烯、65%石英砂是成岩过程中典型的砂岩孔隙度，因此有一定的代表性。模拟样品对太赫兹波的吸收状况随压力递增而变化的趋势与成分相关，说明了压实作用在不同地质条件下的作用效果不一，太赫兹技术能够反映砂岩的沉积作用的影响。

参考文献：

[1]李军，张超谟，李进福，肖承文，袁仕俊.库车前陆盆地构造压实作用及其对储集层的影响[J].石油勘探与开发，2011，（01）：47-51.

[2]刘宝珺，张锦泉.沉积成岩作用[M].北京：科学出版社，1992：1-50.

[3]FERGUSON B，张希成.太赫兹科学与技术研究回顾[J].物理，2003，32（5）：286-294.

[4]Patrick Baud，Emmanuelle Klein，Teng-fongWong.Compaction localization in porous sandstones：spatial evolution of damage and acoustic emission activity.Journal of Structural Geology，2004，26：603-624.

[5]操應长，葸克来，王健，远光辉，杨田.砂岩机械压实与物性演化成岩模拟实验初探[J].现代地质，2011，（06）：1152-1158.