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岩石物理学(“十一五”国家重点图书)

岩石物理学
岩石物理学(“十一五”国家重点图书)
作者:陈颙 黄庭芳 刘恩儒(编著)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-02208-1
定价:98.00元
版本:1
装帧:软精装
出版年月:200908
丛书名称:当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书:中国科学技术大学校友文库

图书简介:

  岩石是构成地球最基本的材料,研究地球上的诸多现象和过程,都离不开对岩石物理性质的理解和认识。不仅如此,凡是研究涉及有关地球的能源、资源、环境和灾害等问题时,也都要求对岩石的物理性质有清楚的认识。本书讲述了岩石物理学的基本实验事实和基础理论,包括:岩石的变形、岩石中波的传播和衰减、岩石的弹性、岩石的断裂、岩石的摩擦、岩石的强度、岩石的输运特性、岩石的电性和磁性等。
  本书分岩石物理基础、实验岩石物理学和计算岩石物理学三大部分,各部分相对独立,对基本概念和基本知识、实验技术和方法以及数值模拟进行了系统而全面的介绍。书中还附有大量学科发展的历史资料和趣味性的应用实例,以加框线的形式给出,可自行选择性地阅读。本书可供从事地球科学、油气勘探和开发工程、环境和灾害研究等方面的科研人员和教学人员参考,也可作为大学高年级学生和研究生相关专业的教科书。

前言:

  岩石是构成地球的基本材料,地球上99%的岩石都处于600℃和1 GPa(1万个大气压)以上的高温高压状态。岩石物理学就是研究在这种特殊的高温高压状态下,岩石表现出的各种不同物理性质的学科。它是认识地球的整体性质,理解各种地球内部和外部过程的基础。新的世纪里,地球科学承担着认识地球、开发资源、保护环境和减轻自然灾害四大任务,它们的最终实现都与对岩石物性的认识密切相关。
  最早有关岩石物性方面的研究,可以追溯到17世纪末。那时的研究主要集中在岩石的力学性质方面。1946年,Bridgeman因对高压下岩石性质的出色实验研究,获得诺贝尔物理学奖,标志着岩石物理学成为一门成熟的学科。20世纪后半叶,岩石物理学研究有了长足的发展: 对弹性波在岩石中传播特性的研究,不仅为油气勘探提供了有力工具,发现了地球岩石圈内的部分熔融和低速带,而且还推动了孔隙弹性力学的发展;岩石断裂和岩石摩擦的研究,提供了关于地球岩石圈应力状态的新认识,成为解释地震和滑坡等自然灾害机理的理论基础,并形成了岩石断裂力学新领域;岩石输运特性的研究,讨论了地下流体在多孔岩石中的输运特性,它已经成为研究环境、油气开采等问题的重要基础。
  20世纪70年代初,我开始从事岩石高温高压实验工作。当时所知甚少,深感一本好的教科书的重要。1978—1980年在美国工作期间,我结识了在MIT从事岩石物理学研究工作多年的黄庭芳博士,了解了美国的岩石物理学研究历史、现状和发展趋势。我还接触了MIT和Stanford大学等有关岩石物理学课程的研究生教材。他们的教材很有特点,不但突出基本概念,而且将岩石性质与各种科学问题密切联系在一起。这一做法给我留下了深刻的印象,成为我后来编写《地壳岩石的力学性能——理论与实际》一书的参考准则。这本教科书由地震出版社于1986年出版。出版前,书稿曾作为讲义在中国科学技术大学研究生院讲授过6年,受到了学生的普遍欢迎。
  90年代末,我多次访美。期间有一件小事儿让我久久难以忘怀: 在几位学术颇有建树的旅美中国学者的办公桌上,居然见到了那本我撰写的、1986年出版的教科书,尽管书已被翻看得破旧不堪。更令人感动的是,几位学者手中使用的竟是那本教材的复印本。仔细想一想,一本好的教科书应该具有可读性、基础性和实用性,三者缺一不可。86年版的教科书之所以受欢迎,可能是不自觉地与这些特点沾了边的缘故吧。
  黄庭芳博士20多年来,一直从事岩石物理学的研究工作。他现在已是国际岩石物理学界知名的专家,出任纽约大学石溪分校研究生院院长。他曾多次建议我修订86年版的书。但由于我对岩石物理学研究近年来的进展和动态了解不多,再加上真正地写一本好教科书绝非易事,所以对他的建议一直犹豫不决。但黄庭芳博士立意甚决,为促成此事,不惜“下河趟水”和我一起合作。于是,从1999年开始,我们两人开始了共同编写这本《岩石物理学》的历程。2001年,《岩石物理学》一书由国家自然科学基金会资助,由北京大学出版社出版。这本书被许多大学用作教科书。
  2005年,英国地质调查局的刘恩儒博士,专程来找我并提出在《岩石物理学》一书中增加计算岩石物理学的建议。刘恩儒是在油气勘探方面世界知名的专家,他善于将岩石物理学与勘探方法相结合。他的建议是基于两方面的考虑: 第一,计算机模拟已经成为了和物理实验并行的实验方法;第二,岩石各种性质与尺度有关,这在一般的物理学中是根本不会碰到的问题。矿物颗粒的大小提供了一种特征尺度,当研究尺度远远大于特征尺度时,岩石可以近似地看成是均匀的,矿物颗粒的大小提供了岩石的下限尺度;在地球运动中,整块的岩石不可避免地会发生破裂,其中会出现许多断层、解理和劈理等间断面,这些大小不一的间断面和岩石就构成了岩体(Rock mass)。岩体中间断面的存在,提供了岩石物理学研究的上限尺度。对岩石的下限尺度和上限尺度的正确理解,是区分矿物、岩石和岩体的基础概念。岩石物理学研究的对象是界于这两种尺度之间、不大不小的作为理想材料的岩石。要把岩石尺度得到的结果用于天然,必须建立合理而简化的数学物理模型,必须发展计算岩石物理学。可以说,没有Computational Rock Physics,就没有应用。刘恩儒的建议,大概是近年来在学术活动中我得到的最好的建议。
  这样,由在美国纽约的黄庭芳博士、在英国爱丁堡的刘恩儒博士和在北京的我,组成了一个跨洋的写作集体,整整两年,写出了这本书。
  本书写作时,考虑到以下问题: 一是突出基本概念,减少不必要的数学推导;二是加强岩石物理学与环境、油气勘探和开发、自然灾害研究等方面的联系,增加了许多有趣的应用实例,以框图形式出现,可供感兴趣者选择学习;三是在讲述力学性质的基础上,增加了岩石的输运特性、电性和磁性等内容;四是部分章节后附有习题和思考题,帮助读者更好地理解和消化基本概念,便于读者自学。
  黄庭芳、刘恩儒和我都衷心希望,这本书能给从事地球科学、资源、环境和灾害研究的同志带来帮助。在两年多的时间里,我们曾多次修改手稿,改正错误;更新图表,以期给出最新的研究成果,但其中还存在着很多纰漏,我们真心欢迎大家提出批评和指正的意见,互相探讨,共同促进岩石物理学的发展。
  最后,我们十分感谢王宝善、张尉、刘宁、韦生吉、彭菲、李娟和唐杰等同志在整理书稿时所做的大量宝贵的工作,这些工作对本书的最终出版极为重要。

刘颙
2009年1月 

目录:

总序

第一篇 岩石物理基础

第1章 岩石

1.1 地球上的岩石和矿物

1.2 岩石的分类

1.3 岩石的特点

1.4 研究岩石物理学的意义

第2章 岩石的变形

2.1 应力

2.2 应变

2.4 岩石的蠕变

2.5 岩石实验

第3章 岩石中波的传播和衰减

3.1 岩石中的波

3.2 岩石中波速的测量结果

3.3 岩石中波的衰减

3.4 理论解释

第4章 岩石的弹性

4.1 二相体的弹性

4.2 流体静压下岩石中裂纹对弹性的影响

4.3 流体静压力下岩石中孔洞对弹性的影响

4.4 弹性波在二相体岩石中的传播

第5章 孔隙流体的作用

5.1 流体静压力下饱和岩石的弹性表现

5.2 弹性波在饱和岩石中的传播

5.3 线性多孔弹性力学 (Linear Poroelasticity)

第6章 岩石的断裂

6.1 差应力作用下岩石的特性

6.2 脆性断裂(Brittle Fracture)

6.3 岩石断裂力学

6.4 流体对断裂的影响

第7章 岩石的摩擦

7.1 摩擦

7.2 岩石的摩擦

7.3 摩擦滑动和岩石变形的稳定性问题

7.4 黏滑(Stick-slip)和稳定滑动

第8章 岩石的强度

8.1 完整岩石的强度

8.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度

8.3 地壳中的(偏)应力状态

8.4 由岩体强度推断地壳应力状态的极限范围

第9章 岩石的输运特性2

9.1 达西(Darcy)定律和岩石的渗透率

9.2 渗透率的测量

9.3 岩石的渗透率:岩石组分、孔隙度、压力和温度的影响

9.4 流体输运模型

第10章 岩石的其他特性

10.1 岩石的磁性

10.2 岩石的热学性质

10.3 岩石的电学性质

第二篇 实验岩石物理学

第11章 岩石物理学实验设备

11.1 围压容器

11.2 压机

11.3 岩石样品

11.4 其他类型实验

第12章 岩石的变形和静态弹性常数测量

12.1 变形测量

12.2 应力测量

12.3 应力应变曲线和岩石弹性常数的计算

12.4 岩石其他参数的测量

第13章 声学方法

13.1 岩石和矿物中弹性波速度的测量

13.2 波在岩石中衰减的测量

13.3 声发射

第1 4章 光学方法

14.1 光弹实验

14.2 激光在岩石力学实验中的应用

14.3 岩石微观结构的显微观测

第三篇 计算岩石物理学

第15章 绪论

15.1 计算岩石物理学的发展

15.2 计算岩石物理学的必要性

15.3 计算岩石物理学中所用的方法

15.4 计算岩石物理学的几个应用

15.5 计算岩石物理学的前景

15.6 利用地震方法检测裂隙的理论基础及其限制

15.7 本篇主要内容

第16章 地震波在裂隙介质中的传播: 等效介质理论

16.1 介绍

16.2 Hudson裂纹介质模型

16.3 裂隙面位移不连续Ukl的表达式

16.4 含裂隙介质模

16.5 裂隙岩石的各向异性

16.6 Chapman多尺度模型

16.7 有效弹性常数的刚度及柔度表达式

16.8 本章小结

第17章 有限差分法

17.1 有限差分原理简介

17.2 旋转交错网格

17.3 伪谱法

17.4 变网格(Variable-grid)有限差分法

17.5 本章小结

附录17 A裂隙介质的有效柔度

附录17 B裂隙尖端的效果

第18章 有限元法

18.1 有限元法简介

18.2 裂隙介质中弹性波的有限元数值模拟

18.3 致密和交错裂隙岩石的有效弹性

18.4 本章小结

附录18A 弹性波动方程的积分表达形式

第19章 边界元与边界积分方程方法

19.1 介绍

19.2 间接边界元法基本公式

19.3 离散化与边界元法的实现

19.4 数值应用实例

19.5 模拟裂隙介质的地震响应

19.6 本章小结

附录19A 直接边界元与间接边界元法

附录19B SH波的格林函数

第20章 离散元与离散粒子方法

20.1 离散元方法简介

20.2 波动的衰减

20.3 数值实验

20.4 模拟结果

20.5 本章小结

索引

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