岩土特性的实验室研究对于评价岩土特性是十分重要的，但它所用的样品一般尺寸小，难以保证样品的天然结构，在许多情况下也难以采集。例如，现尚无法在液态软弱粘土类土、结构松散的无粘性砂砾石、含水流砂、裂隙化坚硬岩石和强裂隙化半坚硬岩石等岩土中采得原生样品，这时，在场地对自然埋藏条件下的岩土和含水层进行原位测定和研究就十分必要。测井是一种有效而经济的原位测定岩土物理状态和物理力学性质的方法 蔡柏林，1987。利用测井资料研究岩土物理状态和物理力学性质。见：物化探技术在城市工程中应用经验交流会论文集，地矿部物化探科技情报网。
用地球物理测井方法研究和测定岩土的物理状态和物理力学性质，是基于岩土间物理性质上的差异，见表5-1-6、5-1-7。由表可知，使用电阻率测井、声波测井和核测井等可对钻孔剖面中的岩土进行岩性分析，确定其孔隙度、密度、含水饱和度，估算渗透率和研究岩土的物理力学性质。以下介绍其基本原理和测定方法。
表5-1-6 地球物理测井对钻孔剖面进行岩性分析的结果（a）
表51--7 地球物理测井对钻孔剖面进行岩性分析的结果（b）
1.岩土的孔隙度
岩土骨架矿物间的空穴称孔隙，岩土与其孔隙的体积比称孔隙度
地球物理勘探及地球化学勘探方法在城市建设中的应用
式中，Wφ是岩土孔隙所占体积；W为岩土体积；孔隙度φ以百分数计。
用地球物理测井方法测定岩土孔隙度是基于充填孔隙空间介质的物理性质与岩土固相（骨架矿物颗粒）物理性质间的差异。岩土固相的物理性质则决定于矿物颗粒成分和分选性。下面就电阻率测井、声波测井、伽马－伽马密度测井和相关关系曲线法求岩土孔隙度的基本原理作一介绍。
（1）电阻率测井
现以纯砂岩为例，说明用电阻率测井测定岩土孔隙度的原理。纯砂岩的骨架矿物主要是石英和长石，它们电性相近，几乎不导电。而充填于孔隙空间的地层水或钻井泥浆滤液呈离子导电，两者在电性上的差异相当明显，根据图5-1-10的正方形体积模型可导出
L=Lma+Lφ
W=Wma+Wφ＝L2Lma+L2Lφ＝L2（Lma+Lφ）
则孔隙度
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按图5-1-10模型，同时考虑到组成岩土骨架矿物的颗粒的分选性、圆度的不同，使孔隙结构和孔隙通道的弯曲程度不同，因此，可把模型等效成如图5-1-11形式，并认为电流流过时骨架与孔隙呈并联。
图5-1-10 正方形体积纯砂岩模型
图5-1-11 正方形积纯砂岩等效模型
设Rt、Rma、Rw、ρt、ρma、ρw分别表示岩土、骨架矿物和充填于孔隙空间的地层水的电阻及电阻率，Lw、Sw、Ww分别表示电流流经的孔隙通道的长度、截面和体积，则有
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考虑到骨架矿物部分不导电，亦即Rma→ ∞，这样，只有充填于孔隙空间的地层水才是电流通道，此时
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所以
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式中
或
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式中F 称地层因素或相对电阻率，它反映了岩土的孔隙度和孔隙结构情况，m称胶结因素，与曲折度C 有关，α是反映岩性特性的一个参数。可见F 是岩性、孔隙度、导电通道曲折度的函数，且与后者的关系更为密切些。因此，每个工作区的F 值必须通过实验测出α、m值后方可求得。根据国内外经验，F有以下关系式：
当砂层时，
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当砂岩地层时，
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当较纯的孔隙性碳酸盐岩时，
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由式（5-1-24）可知，用电阻率测井资料求得的地层水电阻率ρw和地层电阻率ρt，便可从上列各式获得孔隙度值。
（2）声波测井
对纯砂岩来说，石英、长石等矿物颗粒的声波传播速度比地层水的大得多，这一差异是利用声波测井求岩土孔隙度的物理前提。声波测井所记录的声波速度是滑行波沿井壁附近地层中传播的平均值，在经过压实和胶结良好的纯砂岩中时，由于其孔隙度很小（直径为0.05～0.002mm的毛细管），声波在矿物颗粒与孔隙水界面上产生的传播现象可被忽略，这时，可认为声波在岩石中是直线传播的，其传播时间等于滑行波经过岩石骨架和孔隙中流体的时间之和。
设t、tma、tf、t、tma、tf、V、Vma、Vf分别表示岩石、骨架、孔隙流体中的声波传播时间、时差和速度。用图5-1-10模型有：
t=tma+tf
或
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在上式两端同乘面积A，并同除体积W，经整理得
t=（1－φ）Δtma＋φΔtf
由此，便得出威里方程
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例如，经测定，石英的tma=51.5μs/ft 1ft=0.3048m（国际单位制）。
（3）伽马－伽马密度测井
因为石英、长石颗粒密度（即矿物密度）要比孔隙中流体密度大一倍以上（矿物的σma=2.648g/cm3、淡水的声波分析σf=1g/cm3、浓度1000×10-6的NaCl溶液的σf=1.067g/cm3），利用这一差异可求得孔隙度。
用密度测井所记录的散射伽马强度，直接反映了与岩土电子密度有关的体积密度σH，仍用图5-1-10的纯砂岩体积模型，并设GH、Gma、Gf、σH、σma、σf分别表示岩土、骨架和孔隙中流体的重量和密度，则有
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便得式中σma、σf分别是已知的骨架、孔隙中流体的密度，σH由密度测井观测结果给出。用密度测井测定的是岩石总孔隙度φ。
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综合密度测井和声波测井的结果，可求出岩石次生孔隙度指数SPI。已知总孔隙度φ是原生孔隙度φp与次生孔隙、裂隙度（SPI的和，用它可评价岩石次生孔隙和裂隙发育程度，即
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式中φp由声波测井结果给出。
（4）相关关系曲线法
所谓相关关系曲线法，是利用一定的岩土类型不同的物理参数与孔隙度的相关关系曲线（量板）来求解孔隙度。图5-1-12示出的是泥岩（曲线3）、粉砂岩（曲线2）、砂岩（曲线1）的电阻率ρt、弹性波纵波传播速度VP和密度σ与孔隙度的关系曲线。知道了这些岩土类型的电阻率、纵波传播速度和密度值，便可由量板求出其孔隙度。
图5-1-12 ρS、VP和σ与孔隙度φ的关系曲线
1—砂岩；2—粉砂岩；3—泥岩
实际中，为了可靠地求出孔隙度值，应采用综合地球物理测井方法来确定。
2.岩土的岩性分析
现代测井技术，已可利用计算机对测井资料进行数字处理，可对由砂和泥质岩土组成的钻孔地质剖面作出岩性分析，分别求出地层的泥质含量、砂含量和孔隙度，并以花纹形式输出，如图5-1-13所示。图分成两部分，左边部分是自然伽马强度随深度H 变化的观测结果（GR），右边部分是岩性分析结果，短划线花纹表示了地层的泥质含量，麻点花纹表示了地层的砂含量，空白表示了地层的孔隙度。
图5-1-13 GR-CNL组合的岩性分析结果
（据蔡柏林，1987）
岩土的岩性分析原理，是采用体积模型法，利用岩性交会三角形对砂—泥质地层作岩性分析。输入的测井曲线可有以下三种测井组合曲线：①自然伽马测井（GR）－伽马－伽马密度测井（DEN）组合；②自然伽马测井（GR）－中子测井（CNL）组合；③伽马－伽马密度测井（DEN）－中子测井（CNL）组合，声波测井（AC）可代替中子测井。
（1）采用GR与DEⅣ组合
1）利用GR曲线计算泥质含量Wsh：若地层中的自然放射性强度主要与地层中的泥质含量有关，而岩石骨架（如石英、长石）的自然放射性强度又相当弱时，先计算自然伽马强度相对值△G，即
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式中，GR为解释层的自然伽马测井读数；GRmax和GRmin分别为解释层段内纯泥岩和纯砂岩的自然伽马测井读数（图5-1-14）。再用下式计算泥质含量Wsh
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图5-1-14 纯泥岩和纯砂岩的自然伽马测井读数
式中，c是经验系数，对老地层，c=2，对新地层，c=3.7～4。
目前，自然伽马测井是求得泥质含量（体积百分含量）的主要方法。
2）用DEN曲线计算孔隙度φ：
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式中σsh是泥岩的密度值。
3）计算含砂量WSD:
WSD=1-Wsh－φ （5-1-2 8）
（2）采用GR与CNL组合
1）利用GR曲线计算岩石的泥质含量，公式同前。
2）利用CN L曲线计算孔隙度φ
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式中φH是中子测井值，φma、φsh、φf分别是岩石骨架、泥岩、孔隙水的中子响应值，它们都是已知的。
（3）利用式（5-1-28）计算含砂量WSD
中国地质大学测井教研室根据上述原理已编制出程序，利用此程序可对砂－泥质地层作岩性分析（图5-1-13）。
3.岩土的含水饱和度和渗透率
（1）岩土含水饱和度的确定
岩土含水饱和度Sw是岩土孔隙中含水体积Ww与总孔隙体积Wφ之比
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由测井资料确定含水饱和度的方法，大致可分两种，一种是根据阿尔奈公式的计算法；另一种是快速直接显示法，如交会图法、重叠法。现介绍计算法。为此，引入比值Ⅰ
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式中，Pt是孔隙中部分含水或不含水地层的电阻率；ρ0是100%饱和水地层的电阻率。I称为电阻率增大率，它去掉了地层的孔隙结构与地层水矿化度的影响，比值I仅与含水饱和度有关，即
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式中n称饱和度指数，通常取n=2。
再把地层因素F和孔隙度关系代入上式，则可得计算含水饱和公式，即
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式中
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式中ρsh是泥质物质的电阻率；a=0.62。
（2）渗透率
岩土的渗透率是指在压力差作用下流体（或气体）通过岩土的能力。用以下公式可求得岩土的渗透率K，
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式中，L、S为样品的长度和横截面积，μ为流体黏度，Q为单位时间内通过样品的流体体积，Δp为压力差。实际中常用毫达西（mD） 1mD（毫达西）＝9.87×10-10m2（国际单位制）。
实验证明，当只有一种流体通过时，所测得的渗透率（称绝对渗透率）的大小只与岩土的孔隙结构有关，而与流体性质无关，测井解释中常指的渗透率就是绝对渗透率。目前，用测井资料计算渗透率尚不准确。图5-1-15是某地区用电阻率测井结果估算渗透率的实例，只要测定了岩土的真电阻率，就可机场噪声用电阻率与渗透率的相关关系曲线对同一地区未知的岩土渗透率作估算。
图5-1-15 某地区用电阻率测井结果估算渗透率的实例
4.岩土密度
岩土密度是岩土质量对其所占体积之比。
（1）矿物密度σma
每一种岩土类型的矿物颗粒密度取决于其矿物成分，它受次生因素的作用影响很小，在整个后生作用进化期中保持为常值。
矿物密度通常在实验室标本上测定，其测定误差为0.01g/cm3。此外，还可用下式计算求得。
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式中σH、σf和φ可由测井资料确定。
（2）饱和水岩土体积密度σH
在钻孔中，用密度测井测定的密度一般相当于饱和水的岩土密度σH。在有利条件下，即井壁平整，不扩孔，用密度测井测定σH的相对误差为1g/cm3左右。σH值还可用下式算出。
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5.岩土弹性波传播速度
测定钻孔中岩土弹性波传播速度的方法有声波测井、PS测井、检层法、跨孔法等。用测得的纵、横波速度VP、VS，再结合密度测井结果就可计算出岩土的弹性系数，见表5-1-1。
重庆地质仪器厂已试制出JBS-I型轻便数字测井系统，它包括上述各种测井方法的井下仪器和数据处理软件，适用于水文工程地质测井。
