第1章岩石的重磁电物性特征
1.1岩石的密度
重力勘探的物理基础是岩（矿）石密度存在差异，重力资料处理与解释的基础是建立研究区域内岩（矿）石密度与地质层位关系的模型。岩（矿）石密度的国际单位为kg/m3，但通常情况下用高斯单位制，单位为g/cm3。岩（矿）石密度很大程度上取决于它们的主要矿物成分和孔隙度。地壳中大多数岩（矿）石的密度在2.00～2.90g/cm3，上地壳的平均密度约为2.67g/cm3，这一数值也常用于重力场的高度校正和中间校正。
岩（矿）石密度与尺度无关（Pilkington et al.，2004，1995；Todoeschuck et al.，1994），也不能明确解释岩石类型。但岩性不同，密度存在差异，将导致地层或矿体的密度结构存在一定的规律性，这为重力方法在油气与矿产勘探中的应用提供了物理前提。密度是标量，是*简单的地球物理性质，在不使用精密仪器的情况下*容易测量到一阶精度。然而，准确测量研究区所有的岩（矿）石密度并不容易。大量的岩样采集、处理与测量分析是获取准确岩（矿）石密度的基础。结晶性和成岩性良好的岩石结构均质，可以准确地测量密度，而风化等次生作用会导致岩（矿）石密度变化，测量时须消除影响因素。结晶岩石和致密岩石的孔隙度小，一般小于1%，这大大简化了测量，提高了估算密度的准确性。近地岩（矿）石可能存在较大的孔隙，孔隙充填程度不同，而且许多组分在各种尺度上都是高度非均匀的，因此它们的原位密度很难精确测量。
1.1.1岩石密度类型
地下岩石或多或少由三相介质组成，即矿物颗粒（固相）、孔隙中的流体（液相）和气体（气相）。在地下水位以下的饱和地带，绝大部分孔隙都被地下水充填，但局部存在被封存的气体或从地层内部生成并运移到地表。在地下水位以上，孔隙中充满了空气，向下渗透的地表水的延迟和滞留或毛细管作用导致部分含水饱和。岩石内部的孔隙，无论其来源于哪里，在地层压力增加的情况下，都趋向闭合。因此，深层与超深层岩石都是致密的。
1.真实密度
真实密度是单位体积内岩石物质的质量，其中体积不含岩石中的孔隙，即岩石的真实密度σt。它与岩石的颗粒密度σg有如下关系：
（1.1）
式中：σi为岩石中第i种矿物组分的颗粒密度；vi为岩石中第i种矿物组分的体积分数。
2.体密度
体密度σB有时被称为干燥体密度，即单位体积（含岩石物质与孔隙）内岩石的质量，可表示为
（1.2）
式中：vp为总孔隙空间的体积分数，填充孔隙空间的气体密度可以忽略不计。总孔隙空间是允许流体流动的有效孔隙和流体扩散孔隙之和。许多岩石中的孔隙主要为扩散孔隙，如未断裂的火成岩、变质岩及富含黏土的沉积岩，因此总孔隙度与有效孔隙度是有区别的。
3.自然密度
自然密度σn，也称为饱和或湿润体密度，是孔隙被流动和扩散的矿化水充满时的岩石密度。但通常岩石孔隙中气水共存，处于非饱和状态。自然密度的计算公式为
（1.3）
式中：vf为密度σf的流体所填充的孔隙体积分数。在地下岩石中，当所有孔隙被流体填满时vp=0。无气体蒸馏水的密度为1.00g/cm3，而海水的密度为1.03g/cm3，地下盐水的密度为1.10g/cm3，气体的密度一般忽略不计。
表1.1给出了包括火成岩、变质岩、沉积岩在内的地球物质的密度值，以供重力资料处理与解释参考。
1.1.2影响岩石密度的主控因素
岩（矿）石的密度的主控因素是矿物组成和孔隙度，这在很大程度上取决于岩性和岩石破裂、溶解和矿物化学蚀变等次生过程的化学和物理作用。大多数矿物的密度为2.50～3.50g/cm3，但大部分金属矿石的密度为4.00～6.00g/cm3。由表1.1可知，矿物密度随SiO2和H2O含量的增加而减小。此外，变质岩在高压条件下形成的矿物往往密度较高，非金属矿资源（如煤、盐、黏土）的密度低于平均密度，而金属矿的密度超过普通成岩矿物的密度。岩石密度受地层压力和温度的影响，与埋深和压力存在函数关系。
1.岩性
从岩石密度研究角度，可将地下介质分为结晶岩、沉积岩和未固结沉积物三大类。结晶岩是指受地壳深部压力、构造应力和高温作用而形成的火成岩（既有喷发岩，也有侵入岩）、变质岩和沉积岩。沉积岩是由先前存在的岩石侵蚀与化学作用的沉淀物压实而成。未固结的沉积物是岩石侵蚀与化学作用的碎片组成的未固结体。这三大类岩石的矿物组分、孔隙起源及结构性质有助于研究岩石的密度特征。
1）结晶岩石
侵入岩形成于地壳或上地幔深部，其孔隙空间*小，孔隙度一般小于1%，很少超过3%。该孔隙的一小部分是粒间孔隙，但绝大部分是由化学和物理风化及脆性地壳内的断裂和断层加上冷却裂缝形成的。一般来说，在地层压力下裂隙（如岩石节理）和断层中出现的孔洞是闭合的。因而，岩石的密度和地震速度在600MPa左右的压力下接近恒定值，即在地球内部15～20km的深度达到该值。断裂带密度的降低不仅是压裂过程中体积增大的结果，也是岩石向低密度黏土矿物发生物理化学变化的结果。
深部岩石具有微小孔隙，其密度主要是矿物的密度及其组合的结果。密度*低的矿物如石英和正长石，密度约为2.60g/cm3。酸性火成岩中石英和正长石含量较高，因而密度*低。矿物斜长石、黑云母和角闪石富含钙、镁和铁，具有较大的密度，基性和超基性火成岩富含斜长石、黑云母和角闪石，因而密度较高。
大陆地壳的结晶岩石一般随着深度的增加而变得基性，其密度也随着地层压力的增大而增大。但花岗质层与下伏玄武质层并不是成层的，它们的成分和密度在纵横向存在显著的变化（Fountainetal.，1989）。一般来说，岩石变质程度随深度的增加而增加，密度也随深度增加而增大。因为存在从松散沉积物到基性结晶岩石的过程，所以表层岩石的密度变化很大。然而，一般花岗岩（长英质）密度的平均值为2.67g/cm3，下地壳密度随深度增加至约3.10g/cm3，平均地壳密度约为2.83g/cm3（Christensen et al.，1995）。下地壳主要含辉长岩，石榴石随着深度的增加更加丰富，在地壳底部，镁铁质石榴石、麻粒岩*为丰富。麻粒岩是在下地壳高温下形成的一种粒度相对较粗的深变质岩。图1.1给出了地壳平均密度随深度变化曲线。图中可以看出，曲线在埋深15～20km处存在一个明显拐点，可认为是上地壳与下地壳的分界面（康氏面）。
图1.1地壳的平均密度分布
洋壳在成分和密度上明显比大陆壳均匀，主要由一层沉积岩和沉积岩下的基性喷出岩和侵入岩组成。由于地壳年龄、蚀变（或变质）、构造区域和热流的不同，也存在横向差异（Carlson，1990；Christensen et al.，1975）。结晶海洋地壳的平均密度为（2.86±0.03）g/cm3。因此，陆/海界面重力异常的主要原因是地壳厚度的变化和沉积岩的堆积。
2）火成岩
火成岩所含矿物主要有霞石、钾长石、石英、斜长石和铁镁矿等，其密度与矿物含量密切相关。如橄榄岩、辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩、正长岩及霞石正长岩的密度因矿物含量不同而表现出明显差异，如图1.2所示。火成岩喷出后在凝固过程中形成了细雨状结构，而不是浸入岩的粗糙结构。虽然岩石成分相似，但粒度结构往往使密度降低，影响一般小于10%。在这些岩石中，如黑曜石和玻璃岩中出现的非水晶玻璃会导致密度更低。通常，火成岩的密度降低是在其快速结晶过程中，由气体空洞冻结在岩石中而产生孔隙造成的。这种情况在火山流的上部特别普遍，因为在该部位上升的气体大量聚集。在极端情况下，这些岩石的密度，如浮石和火山渣，小于水的密度。
图1.2火成岩密度与其矿物成分关系
3）变质岩
变质岩的密度主要取决于岩石的原始矿物组成，同时也受变质程度和变质类型的强烈影响，变质程度和变质类型在很大程度上反映了岩石所受的温度和压力。一般来说，变质岩的密度随着铁、镁和钙含量增加而增大。大量研究表明，出露的前寒武纪变质岩的密度范围很广（Subrahmanyam et al.，1981；Smithson，1971；Gibb，1968）。通常，变质岩的平均密度为2.70～2.80g/cm3，但许多由长英质火成岩和沉积岩变质形成的变质岩，如花岗片麻岩，其密度为2.60～2.70g/cm3。相比之下，镁铁质变质火山岩的密度明显更大，平均密度可达2.85g/cm3。密度*高的变质岩是在下地壳环境中由石榴石取代斜长石变质为榴辉岩品位的变质岩，这些岩石的密度通常为3.00～3.30g/cm3。
4）沉积岩与未固结沉积物
沉积岩及未固结沉积物的密度主要受其孔隙控制。它们的矿物成分少，且密度相差不大。*常见的成分是来自火成岩及其变质岩中的石英，黏土矿物是其另一个重要组成部分。由化学沉淀形成的沉积物和沉积岩大部分是单矿物的，因此密度恒定，除非沉积后因溶蚀作用产生了次生孔隙。石灰石（方解石）和白云石是主要的化学沉积物。通常膏盐岩沉积在沉积盆地内形成局部密度差，密度为2.00～2.20g/cm3。石英、黏土和方解石的密度为2.60～2.70g/cm3，而白云石的密度为2.87g/cm3。由于地层压力和成岩作用，
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