[科普中国]-虚拟岩石物理

虚拟岩石物理（别称数字岩石物理）是在地质条件约束下，利用现代数学方法与成像技术，建立数字岩心，开展物理场数值模拟，计算等效物理参数，研究岩石微观结构、物质组成与宏观等效性质之间的关系。虚拟岩石物理主要包含数字岩心建模和等效物理性质模拟两大部分，其中数字岩心对应于真实岩心，等效物理性质模拟对应于实验室物理实验，两者的结合实现了物理实验的数字仿真。

简介岩石结构在微观尺度下是离散的。现代岩石物理学与地震学建立在连续介质理论基础之上，而连续介质理论建立在等效模型基础之上。自20世纪50年代以来，由于此理论简洁，应用方便，基于嵌入体模型的等效介质理论发展迅速，但是该理论不包含明确的微观结构信息，与真实岩石结构信息差别较大。孔隙黏弹性理论从几何等效角度研究了岩石的动力学问题，虽经前人的不断探索，仍然不能有效地拟合复杂的实际介质情况。另一种方法就是物理实验，物理实验虽然能够测量岩石的孔隙结构和宏观等效参数，但该法具有破坏性，可重复性差，周期长，成本高。

伴随着高性能并行计算技术的进步，基于数字岩心的虚拟岩石物理（或称数字岩石物理）日益得到重视。虚拟岩石物理是在数字岩心的基础上对物理过程的仿真。相比于传统方法和技术，虚拟岩石物理具有明显优势：第一，数字岩心的微观结构直观可见，可直接计算几何特征参数；第二，数值模拟的边界条件灵活，可连续呈现物理场的变化过程；第三，不同物理场的数值模拟可在同一数字岩心上展开，结果具有一一对应性；第四，可形成数字岩心序列，研究同一物理场的变化；第五，数值模拟的效率高，成本相对较低。因此，虚拟岩石物理可称为一种等效方法。虚拟岩石物理的本质是：结合实际地质资料，利用现代数学方法与成像技术，研究岩石微观结构、物质组成与宏观等效性质间的关系。虚拟岩石物理也是当今岩石物理学的重要发展方向之一。虚拟岩石物理主要包含数字岩心建模和等效物理性质模拟两大部分，其中数字岩心对应于真实岩心，等效物理性质模拟对应于实验室物理实验，两者的结合实现了物理实验的数字仿真。1

数字岩心建模数字岩心是虚拟岩石物理的物质基础，它不仅仅是简单的几何模型，而应包含三个层次的含义：①几何模型，几何结构与真实岩心相似；②物质模型，物质组成与真实岩心相似；③力学模型，力学性质与真实岩心相似。数字岩心建模方法可分为物理建模方法和数学建模方法两大类，这两大类建模方法各有特点。数字岩心的输导性质主要取决于孔隙结构的总体连通程度。数字岩心的（黏）弹性性质与孔隙结构细节、骨架弱化因素密切相关。因此，数字岩心建模方法对虚拟岩石物理研究具有重要的影响。

等效物理性质模拟数字岩心物理性质模拟伴随着数字岩心的产生与发展。在等效输导性质模拟方面有大量的文献报道，如压汞曲线模拟、渗透率模拟、电阻率模拟和核磁共振参数模拟。近十多年来，数字岩心（黏）弹性参数模拟逐渐成为研究热点。等效（黏）弹性参数模拟主要分为静力学模拟和波场模拟两部分。另外，数字岩心准静态模拟是最近才发展起来的技术。通过数字岩心（黏）弹性参数模拟可计算数字岩心的（黏）弹性参数，研究微观结构中的波场现象等。2

尺度问题尺度是虚拟岩石物理研究中的重要概念，因参照物的不同而具有不同的意义。理解不同尺度下物理量的意义以及不同尺度间相同物理量的联系是建立合理研究方法的基础。

等效体元等效体元是连续介质力学中的一个基本概念，是空间物理性质从微观尺度向宏观尺度映射所需的最小体积。微观尺度下等效体元内介质参数的等效值成为宏观尺度的质点值。等效体元的定义较多，主要有：①等效体元包含足够的微观结构信息；②与宏观结构相比，等效体元足够小，与微观结构相比，等效体元足够大；③等效体元应当包含大量微观非均匀性；④统计均匀并且等效体元的各种性质能代表非均匀介质的宏观性质；⑤宏观性质的值与等效体元的边界条件无关；⑥等效体元的体积由特定的等效性质来决定。

波长与地层厚度比值Δ理论推导、数值计算和物理实验均已证明，薄互层状介质在长波长近似下表现为横向各向同性，即当Δ》1时，适用等效介质理论描述；当Δ≈1时，适用散射理论描述；当Δ《1时，适用射线理论描述。

波场频率超声波频率的量级为1MHz，声波频率的量级为10kHz，地震波频率的量级为100Hz。超声波、声波和地震波在岩石中传播的波场现象与频率有关，超声波数据、声波测井数据和地震数据之间可能存在明显差异。岩石物理学家以Biot理论、White模型和喷流机制分别解释宏观、细观和微观尺度的流—固耦合运动。

在孔隙（黏）弹性理论中，特征频率规定了理论适用的频率范围。Batzle等认为，渗透率和孔隙流体流动性很差的沉积岩，即使在地震勘探频带范围内也不处于低频范围。高渗透性岩石，即使在测井频带范围仍处于低频范围。因此高频和低频是相对的。2

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院