[科普中國(guó)]-虛擬巖石物理

虛擬巖石物理（別稱數(shù)字巖石物理）是在地質(zhì)條件約束下，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法與成像技術(shù)，建立數(shù)字巖心，開展物理場(chǎng)數(shù)值模擬，計(jì)算等效物理參數(shù)，研究巖石微觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成與宏觀等效性質(zhì)之間的關(guān)系。虛擬巖石物理主要包含數(shù)字巖心建模和等效物理性質(zhì)模擬兩大部分，其中數(shù)字巖心對(duì)應(yīng)于真實(shí)巖心，等效物理性質(zhì)模擬對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)，兩者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)字仿真。

簡(jiǎn)介巖石結(jié)構(gòu)在微觀尺度下是離散的?，F(xiàn)代巖石物理學(xué)與地震學(xué)建立在連續(xù)介質(zhì)理論基礎(chǔ)之上，而連續(xù)介質(zhì)理論建立在等效模型基礎(chǔ)之上。自20世紀(jì)50年代以來，由于此理論簡(jiǎn)潔，應(yīng)用方便，基于嵌入體模型的等效介質(zhì)理論發(fā)展迅速，但是該理論不包含明確的微觀結(jié)構(gòu)信息，與真實(shí)巖石結(jié)構(gòu)信息差別較大?？紫娥椥岳碚搹膸缀蔚刃Ы嵌妊芯苛藥r石的動(dòng)力學(xué)問題，雖經(jīng)前人的不斷探索，仍然不能有效地?cái)M合復(fù)雜的實(shí)際介質(zhì)情況。另一種方法就是物理實(shí)驗(yàn)，物理實(shí)驗(yàn)雖然能夠測(cè)量巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和宏觀等效參數(shù)，但該法具有破壞性，可重復(fù)性差，周期長(zhǎng)，成本高。

伴隨著高性能并行計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，基于數(shù)字巖心的虛擬巖石物理（或稱數(shù)字巖石物理）日益得到重視。虛擬巖石物理是在數(shù)字巖心的基礎(chǔ)上對(duì)物理過程的仿真。相比于傳統(tǒng)方法和技術(shù)，虛擬巖石物理具有明顯優(yōu)勢(shì)：第一，數(shù)字巖心的微觀結(jié)構(gòu)直觀可見，可直接計(jì)算幾何特征參數(shù)；第二，數(shù)值模擬的邊界條件靈活，可連續(xù)呈現(xiàn)物理場(chǎng)的變化過程；第三，不同物理場(chǎng)的數(shù)值模擬可在同一數(shù)字巖心上展開，結(jié)果具有一一對(duì)應(yīng)性；第四，可形成數(shù)字巖心序列，研究同一物理場(chǎng)的變化；第五，數(shù)值模擬的效率高，成本相對(duì)較低。因此，虛擬巖石物理可稱為一種等效方法。虛擬巖石物理的本質(zhì)是：結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法與成像技術(shù)，研究巖石微觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成與宏觀等效性質(zhì)間的關(guān)系。虛擬巖石物理也是當(dāng)今巖石物理學(xué)的重要發(fā)展方向之一。虛擬巖石物理主要包含數(shù)字巖心建模和等效物理性質(zhì)模擬兩大部分，其中數(shù)字巖心對(duì)應(yīng)于真實(shí)巖心，等效物理性質(zhì)模擬對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)，兩者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)字仿真。1

數(shù)字巖心建模數(shù)字巖心是虛擬巖石物理的物質(zhì)基礎(chǔ)，它不僅僅是簡(jiǎn)單的幾何模型，而應(yīng)包含三個(gè)層次的含義：①幾何模型，幾何結(jié)構(gòu)與真實(shí)巖心相似；②物質(zhì)模型，物質(zhì)組成與真實(shí)巖心相似；③力學(xué)模型，力學(xué)性質(zhì)與真實(shí)巖心相似。數(shù)字巖心建模方法可分為物理建模方法和數(shù)學(xué)建模方法兩大類，這兩大類建模方法各有特點(diǎn)。數(shù)字巖心的輸導(dǎo)性質(zhì)主要取決于孔隙結(jié)構(gòu)的總體連通程度。數(shù)字巖心的（黏）彈性性質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、骨架弱化因素密切相關(guān)。因此，數(shù)字巖心建模方法對(duì)虛擬巖石物理研究具有重要的影響。

等效物理性質(zhì)模擬數(shù)字巖心物理性質(zhì)模擬伴隨著數(shù)字巖心的產(chǎn)生與發(fā)展。在等效輸導(dǎo)性質(zhì)模擬方面有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，如壓汞曲線模擬、滲透率模擬、電阻率模擬和核磁共振參數(shù)模擬。近十多年來，數(shù)字巖心（黏）彈性參數(shù)模擬逐漸成為研究熱點(diǎn)。等效（黏）彈性參數(shù)模擬主要分為靜力學(xué)模擬和波場(chǎng)模擬兩部分。另外，數(shù)字巖心準(zhǔn)靜態(tài)模擬是最近才發(fā)展起來的技術(shù)。通過數(shù)字巖心（黏）彈性參數(shù)模擬可計(jì)算數(shù)字巖心的（黏）彈性參數(shù)，研究微觀結(jié)構(gòu)中的波場(chǎng)現(xiàn)象等。2

尺度問題尺度是虛擬巖石物理研究中的重要概念，因參照物的不同而具有不同的意義。理解不同尺度下物理量的意義以及不同尺度間相同物理量的聯(lián)系是建立合理研究方法的基礎(chǔ)。

等效體元等效體元是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的一個(gè)基本概念，是空間物理性質(zhì)從微觀尺度向宏觀尺度映射所需的最小體積。微觀尺度下等效體元內(nèi)介質(zhì)參數(shù)的等效值成為宏觀尺度的質(zhì)點(diǎn)值。等效體元的定義較多，主要有：①等效體元包含足夠的微觀結(jié)構(gòu)信息；②與宏觀結(jié)構(gòu)相比，等效體元足夠小，與微觀結(jié)構(gòu)相比，等效體元足夠大；③等效體元應(yīng)當(dāng)包含大量微觀非均勻性；④統(tǒng)計(jì)均勻并且等效體元的各種性質(zhì)能代表非均勻介質(zhì)的宏觀性質(zhì)；⑤宏觀性質(zhì)的值與等效體元的邊界條件無關(guān)；⑥等效體元的體積由特定的等效性質(zhì)來決定。

波長(zhǎng)與地層厚度比值Δ理論推導(dǎo)、數(shù)值計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)均已證明，薄互層狀介質(zhì)在長(zhǎng)波長(zhǎng)近似下表現(xiàn)為橫向各向同性，即當(dāng)Δ》1時(shí)，適用等效介質(zhì)理論描述；當(dāng)Δ≈1時(shí)，適用散射理論描述；當(dāng)Δ《1時(shí)，適用射線理論描述。

波場(chǎng)頻率超聲波頻率的量級(jí)為1MHz，聲波頻率的量級(jí)為10kHz，地震波頻率的量級(jí)為100Hz。超聲波、聲波和地震波在巖石中傳播的波場(chǎng)現(xiàn)象與頻率有關(guān)，超聲波數(shù)據(jù)、聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)之間可能存在明顯差異。巖石物理學(xué)家以Biot理論、White模型和噴流機(jī)制分別解釋宏觀、細(xì)觀和微觀尺度的流—固耦合運(yùn)動(dòng)。

在孔隙（黏）彈性理論中，特征頻率規(guī)定了理論適用的頻率范圍。Batzle等認(rèn)為，滲透率和孔隙流體流動(dòng)性很差的沉積巖，即使在地震勘探頻帶范圍內(nèi)也不處于低頻范圍。高滲透性巖石，即使在測(cè)井頻帶范圍仍處于低頻范圍。因此高頻和低頻是相對(duì)的。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院