云南某机场工程灰岩岩石物理分析

孔 璞，孔 然，谢梦谦，李松柏

（1.四川水利职业技术学院，四川 成都 611230；2.云南省核工业二〇九地质大队，云南 昆明 650032）

随着中国西部大开发战略的实施，西南地区机场建设进入迅猛发展阶段[1]。且云南属云贵高原，山谷众多，不利于飞机的飞行，本次研究的机场工程建设场区位于山顶，区域构造及地形地貌条件复杂，地表高差较大，在上部覆压高填方填筑体荷载作用下，下覆灰岩的稳定性对机场的建设、机场跑道的稳定性等方面具有非常重要的意义。因此通过纵、横波速度及密度等资料，研究下覆灰岩的岩石物理规律可为下一步进行机场建设及施工提供可靠基础地质依据，使得工程设计更具有针对性，施工措施更具准确性和合理性。

1 样品特征与测量

工区内发育大套石炭系碳酸盐岩，以浅灰、灰色层微泥晶生物碎屑灰岩、粉细晶颗粒灰岩为主，夹微泥晶灰岩组成。孔隙类型主要以粒内、粒间溶孔及裂隙为主。选取区域内不同位置井中具有代表性的样品，即88 块灰岩样，将采取的样品加工为长度25～65 mm不等、直径25 mm 的圆柱体，同时将样品2 个端面磨平，无凹凸和小颗粒[2]，如图1 所示。利用脉冲穿透法对样品进行速度测量。仪器配套PZT 高温、高压换能器为一种宽频段三分量换能器，其纵波中心频率为800 kHz，横波中心频率为500 kHz。应用这个实验仪器可以将围压最大加载到90 MPa。测量过程中，起始围压设置为2 MPa，每隔2 MPa 测量一次，当围压超过10 MPa 以后，围压变为每隔5 MPa 测量一次。实验过程中，首先将样品放在温度为80 ℃的干燥箱中均匀烘干48 h 以上，保证样品处于相对干燥的状态，将烘干后的样品取出放置于常温环境中，保持24 h 以上，然后放在超声实验装置的密闭夹持器中，测定干燥条件下岩石的纵波和横波速度。

图1 岩石样品制备

2 岩石物理特征

2.1 压力对岩石弹性性质的影响

图2 给出了干燥条件下灰岩样品波速度随有效压力变化的特征。从图中可以看出纵、横波速度随着压力增加而增大。此外，图中呈现了2 种不同的速度变化形态，第一种变化特征以A1 号样品为例，样品孔隙度较小，纵波速度随压力的增加呈近似线性变化，在压力作用下速度变化率较低（纵波速度增加10.2%）；第二种特征变化以A6 样品为例，样品孔隙度为13%，在压力小于15 MPa 时，纵波速度随压力增加呈非线性增大，当压力大于15 MPa 后，纵波速度随压力增加速度呈近似线性增大，且在整个压力范围内样品速度变化较大（纵波速度增加40%）。第一种变化趋势反映了岩石孔隙主要以刚性孔隙为主，如溶蚀孔等，在压力作用下仅有较小的孔隙压缩；第二种变化特征则反映了在压力作用下岩石中的微裂隙逐渐闭合[3]，岩石的速度增加较快（非线性增加），当压力达到一定程度时，岩石中的可压缩的微裂隙基本闭合，继续增加压力岩石速度呈近似线性增加反映了硬孔隙的影响。

图2 干燥条件下不同孔隙度样品速度随压力变化关系

2.2 流体作用对岩石速度特征的影响

当岩石孔隙中含流体时会引起饱和岩石密度与弹性模量的变化。为了更好地刻画含流体后岩石的弹性模量，通常用Gassmann 方程来定量描述孔隙流体发生变化时介质有效弹性模量的相应变化[4-6]，即可通过Gassmann 方程预测岩石含流体后的速度特征。

图3 为样品在干燥及饱和水情况下的速度随压力变化特征，同时图中增加了Gassmann 方程预测的速度结果。从图中不难看出，样品在水饱和后纵波速度均明显增大，随着压力的增加水饱和后样品纵波速度与相同压力下干燥时纵波速度差异存在减小趋势。对于低孔隙度样品，整个压力范围内，Gassmann 方程预测的纵波速度与实验结果吻合度较高；对于高孔隙度样品，在压力较小时，Gassmann 方程预测结果与实验结果有一定差异，随着压力增加二者速度曲线逐渐趋近，差异逐渐减少[6]。由此说明，在实际工作中可通过Gassmann 方程快速预测该区低孔隙度岩石及高压力下的岩石速度。

图3 不同孔隙度样品速度随压力变化特征

2.3 统计关系特征

图4 给出了岩石样品实验室测量数据的纵波速度与密度关系，黑色散点表示实验结果。从图中明显反应出岩石样品纵波速度与密度呈现出良好的正相关关系，即随着密度增大纵波速度增大。图中同时附加了Castagna[6]灰岩关系式，从图中明显看出，纵波速度较低的样品实验数据与Castagna 关系具有较高的吻合度，但是纵波速度较大的样品则呈现出Castagna 拟合关系式有一定偏差，实验数据整体高于Castagna 关系式。由此可见，对于该地区灰岩，不能直接采用Castagna 拟合关系式进行速度与密度关系分析，需要建立适合该区的关系式。针对本次实验数据拟合公式如下：

图4 样品纵波速度与密度关系

式（1）中：ρ为岩石密度；Vp为岩石纵波速度。

图5 给出了进行统计实验数据后作出纵波速度和横波速度交会分析，黑色散点表示实验室测试数据，从图中明显看出样品的纵、横波关系呈现良好的相关关系，图中附加了Pickett 经验式和Castagna 灰岩关系式，上述2 个经验关系式对于速度较高的样品均存在不程度的预测偏差。对本次研究区灰岩实验数据进行拟合，更好地表达了该区纵、横波关系，拟合公式如下：

图5 纵、横波速度关系

式（2）中：Vs为岩石横波速度。

3 结论

本文以云南西部某机场工区下覆基岩为研究对象，选取工区内不同位置钻孔采样，利用岩心参数实验仪器超声波脉冲穿透法测试得到样品纵、横波速度，同时开展压力下的岩石速度实验，得到了干燥状态下的岩石样品波速度随有效压力变化特征。对饱和水岩石样品进行不同围限压力的速度实验并与Gassmann方程预测岩石速度进行比较，发现对于低孔隙度样品Gassmann 方程预测结果与实验结果符合度较高。此外，根据测试得到样品纵、横波速度建立该区域的密度-速度及纵、横波关系模型，能够更好地反映该地区灰岩性质，但由于岩石物理的区域局限性，在其他区域使用时需要进行校正，不能随意外推。