巖土特性的實驗室研究對于評價巖土特性是十分重要的，但它所用的樣品一般尺寸小，難以保證樣品的天然結構，在許多情況下也難以采集。例如，現尚無法在液態軟弱粘土類土、結構松散的無粘性砂礫石、含水流砂、裂隙化堅硬巖石和強裂隙化半堅硬巖石等巖土中采得原生樣品，這時，在場地對自然埋藏條件下的巖土和含水層進行原位測定和研究就十分必要。測井是一種有效而經濟的原位測定巖土物理狀態和物理力學性質的方法

蔡柏林，1987。利用測井資料研究巖土物理狀態和物理力學性質。見：物化探技術在城市工程中應用經驗交流會論文集，地礦部物化探科技情報網。。它與實驗室研究方法相互配合，相互檢驗，將可提高場地巖土特性評價的質量。

用地球物理測井方法研究和測定巖土的物理狀態和物理力學性質，是基于巖土間物理性質上的差異，見表5-1-6、5-1-7。由表可知，使用電阻率測井、聲波測井和核測井等可對鉆孔剖面中的巖土進行巖性分析，確定其孔隙度、密度、含水飽和度，估算滲透率和研究巖土的物理力學性質。以下介紹其基本原理和測定方法。

表5-1-6 地球物理測井對鉆孔剖面進行巖性分析的結果（a）

表51--7 地球物理測井對鉆孔剖面進行巖性分析的結果（b）

1.巖土的孔隙度

巖土骨架礦物間的空穴稱孔隙，巖土與其孔隙的體積比稱孔隙度

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中，Wφ是巖土孔隙所占體積；W為巖土體積；孔隙度φ以百分數計。

用地球物理測井方法測定巖土孔隙度是基于充填孔隙空間介質的物理性質與巖土固相（骨架礦物顆粒）物理性質間的差異。巖土固相的物理性質則決定于礦物顆粒成分和分選性。下面就電阻率測井、聲波測井、伽馬－伽馬密度測井和相關關系曲線法求巖土孔隙度的基本原理作一介紹。

（1）電阻率測井

現以純砂巖為例，說明用電阻率測井測定巖土孔隙度的原理。純砂巖的骨架礦物主要是石英和長石，它們電性相近，幾乎不導電。而充填于孔隙空間的地層水或鉆井泥漿濾液呈離子導電，兩者在電性上的差異相當明顯，根據圖5-1-10的正方形體積模型可導出

L=Lma+Lφ

W=Wma+Wφ＝L2Lma+L2Lφ＝L2（Lma+Lφ）

則孔隙度

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

按圖5-1-10模型，同時考慮到組成巖土骨架礦物的顆粒的分選性、圓度的不同，使孔隙結構和孔隙通道的彎曲程度不同，因此，可把模型等效成如圖5-1-11形式，并認為電流流過時骨架與孔隙呈并聯。

圖5-1-10 正方形體積純砂巖模型

圖5-1-11 正方形積純砂巖等效模型

設Rt、Rma、Rw、ρt、ρma、ρw分別表示巖土、骨架礦物和充填于孔隙空間的地層水的電阻及電阻率，Lw、Sw、Ww分別表示電流流經的孔隙通道的長度、截面和體積，則有

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

考慮到骨架礦物部分不導電，亦即Rma→ ∞，這樣，只有充填于孔隙空間的地層水才是電流通道，此時

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

所以

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中

，稱孔隙通道的曲折度，它在實際中很難確定，故阿爾奈提出如下經驗公式

或

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中F 稱地層因素或相對電阻率，它反映了巖土的孔隙度和孔隙結構情況，m稱膠結因素，與曲折度C 有關，α是反映巖性特性的一個參數。可見F 是巖性、孔隙度、導電通道曲折度的函數，且與后者的關系更為密切些。因此，每個工作區的F 值必須通過實驗測出α、m值后方可求得。根據國內外經驗，F有以下關系式：

當砂層時，

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

當砂巖地層時，

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

當較純的孔隙性碳酸鹽巖時，

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

由式（5-1-24）可知，用電阻率測井資料求得的地層水電阻率ρw和地層電阻率ρt，便可從上列各式獲得孔隙度值。

（2）聲波測井

對純砂巖來說，石英、長石等礦物顆粒的聲波傳播速度比地層水的大得多，這一差異是利用聲波測井求巖土孔隙度的物理前提。聲波測井所記錄的聲波速度是滑行波沿井壁附近地層中傳播的平均值，在經過壓實和膠結良好的純砂巖中時，由于其孔隙度很小（直徑為0.05～0.002mm的毛細管），聲波在礦物顆粒與孔隙水界面上產生的傳播現象可被忽略，這時，可認為聲波在巖石中是直線傳播的，其傳播時間等于滑行波經過巖石骨架和孔隙中流體的時間之和。

設t、tma、tf、t、tma、tf、V、Vma、Vf分別表示巖石、骨架、孔隙流體中的聲波傳播時間、時差和速度。用圖5-1-10模型有：

t=tma+tf

或

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

在上式兩端同乘面積A，并同除體積W，經整理得

t=（1－φ）Δtma＋φΔtf

由此，便得出威里方程

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

例如，經測定，石英的tma=51.5μs/ft

1ft=0.3048m（國際單位制）。，淡水的tf=200μs/ft，濃度為1000×10-6的NaCl的地層水的tf=189μs/ft，把這些參數代入方程（5-1-25）中，并根據聲波測井記錄的t值，即可求得孔隙度φ，通常用聲波測井所求的是地層原生孔隙度值φP。

（3）伽馬－伽馬密度測井

因為石英、長石顆粒密度（即礦物密度）要比孔隙中流體密度大一倍以上（礦物的σma=2.648g/cm3、淡水的聲波分析σf=1g/cm3、濃度1000×10-6的NaCl溶液的σf=1.067g/cm3），利用這一差異可求得孔隙度。

用密度測井所記錄的散射伽馬強度，直接反映了與巖土電子密度有關的體積密度σH，仍用圖5-1-10的純砂巖體積模型，并設GH、Gma、Gf、σH、σma、σf分別表示巖土、骨架和孔隙中流體的重量和密度，則有

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

便得式中σma、σf分別是已知的骨架、孔隙中流體的密度，σH由密度測井觀測結果給出。用密度測井測定的是巖石總孔隙度φ。

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

綜合密度測井和聲波測井的結果，可求出巖石次生孔隙度指數SPI。已知總孔隙度φ是原生孔隙度φp與次生孔隙、裂隙度（SPI的和，用它可評價巖石次生孔隙和裂隙發育程度，即

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中φp由聲波測井結果給出。

（4）相關關系曲線法

所謂相關關系曲線法，是利用一定的巖土類型不同的物理參數與孔隙度的相關關系曲線（量板）來求解孔隙度。圖5-1-12示出的是泥巖（曲線3）、粉砂巖（曲線2）、砂巖（曲線1）的電阻率ρt、彈性波縱波傳播速度VP和密度σ與孔隙度的關系曲線。知道了這些巖土類型的電阻率、縱波傳播速度和密度值，便可由量板求出其孔隙度。

圖5-1-12 ρS、VP和σ與孔隙度φ的關系曲線

1—砂巖；2—粉砂巖；3—泥巖

實際中，為了可靠地求出孔隙度值，應采用綜合地球物理測井方法來確定。

2.巖土的巖性分析

現代測井技術，已可利用計算機對測井資料進行數字處理，可對由砂和泥質巖土組成的鉆孔地質剖面作出巖性分析，分別求出地層的泥質含量、砂含量和孔隙度，并以花紋形式輸出，如圖5-1-13所示。圖分成兩部分，左邊部分是自然伽馬強度隨深度H 變化的觀測結果（GR），右邊部分是巖性分析結果，短劃線花紋表示了地層的泥質含量，麻點花紋表示了地層的砂含量，空白表示了地層的孔隙度。

圖5-1-13 GR-CNL組合的巖性分析結果

（據蔡柏林，1987）

巖土的巖性分析原理，是采用體積模型法，利用巖性交會三角形對砂—泥質地層作巖性分析。輸入的測井曲線可有以下三種測井組合曲線：①自然伽馬測井（GR）－伽馬－伽馬密度測井（DEN）組合；②自然伽馬測井（GR）－中子測井（CNL）組合；③伽馬－伽馬密度測井（DEN）－中子測井（CNL）組合，聲波測井（AC）可代替中子測井。

（1）采用GR與DEⅣ組合

1）利用GR曲線計算泥質含量Wsh：若地層中的自然放射性強度主要與地層中的泥質含量有關，而巖石骨架（如石英、長石）的自然放射性強度又相當弱時，先計算自然伽馬強度相對值△G，即

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中，GR為解釋層的自然伽馬測井讀數；GRmax和GRmin分別為解釋層段內純泥巖和純砂巖的自然伽馬測井讀數（圖5-1-14）。再用下式計算泥質含量Wsh

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

圖5-1-14 純泥巖和純砂巖的自然伽馬測井讀數

式中，c是經驗系數，對老地層，c=2，對新地層，c=3.7～4。

目前，自然伽馬測井是求得泥質含量（體積百分含量）的主要方法。

2）用DEN曲線計算孔隙度φ：

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中σsh是泥巖的密度值。

3）計算含砂量WSD:

WSD=1-Wsh－φ 　　　　　（5-1-2 8）

（2）采用GR與CNL組合

1）利用GR曲線計算巖石的泥質含量，公式同前。

2）利用CN L曲線計算孔隙度φ

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中φH是中子測井值，φma、φsh、φf分別是巖石骨架、泥巖、孔隙水的中子響應值，它們都是已知的。

（3）利用式（5-1-28）計算含砂量WSD

中國地質大學測井教研室根據上述原理已編制出程序，利用此程序可對砂－泥質地層作巖性分析（圖5-1-13）。

3.巖土的含水飽和度和滲透率

（1）巖土含水飽和度的確定

巖土含水飽和度Sw是巖土孔隙中含水體積Ww與總孔隙體積Wφ之比

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

由測井資料確定含水飽和度的方法，大致可分兩種，一種是根據阿爾奈公式的計算法；另一種是快速直接顯示法，如交會圖法、重疊法。現介紹計算法。為此，引入比值Ⅰ

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中，Pt是孔隙中部分含水或不含水地層的電阻率；ρ0是100%飽和水地層的電阻率。I稱為電阻率增大率，它去掉了地層的孔隙結構與地層水礦化度的影響，比值I僅與含水飽和度有關，即

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中n稱飽和度指數，通常取n=2。

再把地層因素F和孔隙度關系代入上式，則可得計算含水飽和公式，即

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中

為地層因素，a、b為經驗系數。應該指出，上式僅對孔隙（粒間或晶間孔隙）均勻分布的純地層能獲得較好的計算結果，對于裂縫和空隙發育的地層雖仍可應用，但其精度較差。而對于含泥質地層，則需對公式作泥質影響校正，其計算公式為

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中ρsh是泥質物質的電阻率；a=0.62。

（2）滲透率

巖土的滲透率是指在壓力差作用下流體（或氣體）通過巖土的能力。用以下公式可求得巖土的滲透率K，

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中，L、S為樣品的長度和橫截面積，μ為流體黏度，Q為單位時間內通過樣品的流體體積，Δp為壓力差。實際中常用毫達西（mD）

1mD（毫達西）＝9.87×10-10m2（國際單位制）。作為滲透率的單位。

實驗證明，當只有一種流體通過時，所測得的滲透率（稱絕對滲透率）的大小只與巖土的孔隙結構有關，而與流體性質無關，測井解釋中常指的滲透率就是絕對滲透率。目前，用測井資料計算滲透率尚不準確。圖5-1-15是某地區用電阻率測井結果估算滲透率的實例，只要測定了巖土的真電阻率，就可機場噪聲用電阻率與滲透率的相關關系曲線對同一地區未知的巖土滲透率作估算。

圖5-1-15 某地區用電阻率測井結果估算滲透率的實例

4.巖土密度

巖土密度是巖土質量對其所占體積之比。

（1）礦物密度σma

每一種巖土類型的礦物顆粒密度取決于其礦物成分，它受次生因素的作用影響很小，在整個后生作用進化期中保持為常值。

礦物密度通常在實驗室標本上測定，其測定誤差為0.01g/cm3。此外，還可用下式計算求得。

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

式中σH、σf和φ可由測井資料確定。

（2）飽和水巖土體積密度σH

在鉆孔中，用密度測井測定的密度一般相當于飽和水的巖土密度σH。在有利條件下，即井壁平整，不擴孔，用密度測井測定σH的相對誤差為1g/cm3左右。σH值還可用下式算出。

地球物理勘探及地球化學勘探方法在城市建設中的應用

5.巖土彈性波傳播速度

測定鉆孔中巖土彈性波傳播速度的方法有聲波測井、PS測井、檢層法、跨孔法等。用測得的縱、橫波速度VP、VS，再結合密度測井結果就可計算出巖土的彈性系數，見表5-1-1。

重慶地質儀器廠已試制出JBS-I型輕便數字測井系統，它包括上述各種測井方法的井下儀器和數據處理軟件，適用于水文工程地質測井。