本發(fā)明屬于巖石電性測量裝置，特別涉及一種巖石電性測量裝置、巖石電性測量方法和應用。

背景技術：

1、巖石作為天然介質，具有一定的電學性質，不同種類的巖石，其導電性、導磁性、極化性能和介電性能是不同的。一般來說巖石的導電性很差，但當巖石縫隙中含有導電性較高的流體時，巖石的導電性會增高；或者當巖石中含有導電性高的礦物時，巖石的導電性也會增高。因此巖石的電學性質與巖石的種類、結構構造、孔隙度、流體種類等有密切的關系。研究巖石的電學性質對地球物理勘驗有著至關重要的作用。

2、表征巖石電學性質的參數(shù)主要包括電阻率、電導率、電導、極化率以及介電常數(shù)等。目前針對巖石電性測量的主要方法是歐姆定律法，通過對巖石外加電壓，測量電流來獲得巖石的電性參數(shù)，主要分為二相電極法和四相電極法。

3、二相電極法具有低成本，操作簡單的優(yōu)點。目前二相電極法測量巖石電性使用的電極有以下幾種方案：一是使用紫銅棒作為電極，硫酸銅棉墊作為耦合劑形成不極化電極；二是使用極化能力較弱的鉛作為電極；三是使用不銹鋼作為電極。第一種方案可以保證電極與樣本的良好接觸，并且非常穩(wěn)定，電極的極化現(xiàn)象不明顯，但測量時硫酸銅溶液會滲入樣本而改變樣本的電學性質。第二、三種方案雖然不會改變樣本的電學性質，但與樣本的接觸較差，且存在一定的極化現(xiàn)象，測量精度較低。同時由于二相電極法測量時，供電電極以及測量電極是同一電極，存在信號的耦合干擾現(xiàn)象，且低頻測量時，電極極化現(xiàn)象嚴重，導致測量結果不準確。

4、四相電極法測量巖石電阻率時，采用供電電極和測量電極分離的方式，有助于消除信號的相互干擾、接觸電阻的干擾及消除測量電極極化的現(xiàn)象，具有更好的測量穩(wěn)定性和準確度。但四相電極法操作復雜，成本較高，在高頻測量時，也存在測量線路信號相互干擾的問題，而且部分四相電極法測量時的電位電極需要深入樣品內部，導致樣品性改變，影響測量的準確度。

5、因此，提供一種可準確測量巖石電性的測量裝置具有十分重要的意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術中存在的一個或多個技術問題，至少提供一種有益的選擇或創(chuàng)造條件。具體而言，本發(fā)明提供一種巖石電性測量裝置，其具有良好的電性測量精度。

2、本發(fā)明的發(fā)明構思：本發(fā)明巖石電性測量裝置包括t型固定桿，所述t型固定桿包括水平桿和垂直于所述水平桿的豎直桿；滑動桿，所述滑動桿包括第一滑動桿、第二滑動桿和第三滑動桿；所述第二滑動桿位于所述豎直桿的左側，所述第一滑動桿和第三滑動桿依次位于所述豎直桿的右側，所述滑動桿沿所述水平桿滑動；第一電解槽、第二電解槽，所述第二滑動桿和豎直桿之間設有所述第一電解槽，所述第一滑動桿和第三滑動桿之間設有所述第二電解槽；第一柔性電極、第二柔性電極，所述第一滑動桿、豎直桿的下端分別連接有相對設置的所述第一柔性電極和第二柔性電極。本發(fā)明巖石電性測量裝置通過一體化設計，即二相電極法測量巖石電性與四相電極法測量巖石電性結合于同一裝置，針對巖石樣品測量時，低頻測量可選擇四相電極法，高頻測量可選擇二相電極法，寬頻測量時，選擇二相電極法與四相電極法聯(lián)合的測量方案，極大地拓寬了巖石電性測量的頻帶寬度，提高了測量精度。

3、因此，本發(fā)明的第一方面提供一種巖石電性測量裝置。

4、具體的，所述巖石電性測量裝置包括t型固定桿，所述t型固定桿包括水平桿和垂直于所述水平桿的豎直桿；

5、滑動桿，所述滑動桿包括第一滑動桿、第二滑動桿和第三滑動桿；所述第二滑動桿位于所述豎直桿的左側，所述第一滑動桿和第三滑動桿依次位于所述豎直桿的右側，所述滑動桿沿所述水平桿滑動；

6、第一電解槽、第二電解槽，所述第二滑動桿和豎直桿之間設有所述第一電解槽，所述第一滑動桿和第三滑動桿之間設有所述第二電解槽；

7、第一柔性電極、第二柔性電極，所述第一滑動桿、豎直桿的下端分別連接有相對設置的所述第一柔性電極和第二柔性電極。

8、優(yōu)選地，所述t型固定桿為金屬桿。

9、優(yōu)選地，所述滑動桿、豎直桿均為中空的金屬桿，所述滑動桿的上端設有通孔，所述滑動桿通過所述通孔與所述水平桿連接。

10、具體的，所述滑動桿通過所述通孔與所述t形固定桿的水平桿連接，可使得滑動桿沿水平桿水平滑動。

11、優(yōu)選地，所述滑動桿的上端通過固定螺栓和所述水平桿固定連接。

12、具體的，當滑動桿需要固定時，擰緊固定螺栓，當滑動桿需要沿水平桿左右滑動時，則擰松固定螺栓。

13、優(yōu)選地，所述第一滑動桿、豎直桿的上端分別設有第一接線端子和第二接線端子，所述第一接線端子通過第一滑動桿中的導線與所述第一柔性電極相連；所述第二接線端子通過豎直桿中的導線與所述第二柔性電極相連。

14、優(yōu)選地，所述第一柔性電極和所述第一滑動桿之間，所述第二柔性電極和所述豎直桿之間均分別設有電極墊片。

15、優(yōu)選地，所述第一滑動桿的下端內部與電極墊片對應的位置設有連接柱，所述電極墊片通過連接柱、導線與第一接線端子相連；所述豎直桿的下端內部與電極墊片對應的位置設有連接柱，所述電極墊片通過連接柱、導線與第二接線端子相連。

16、優(yōu)選地，所述第二滑動桿、第三滑動桿的上端分別設有第三接線端子和第四接線端子，所述第三接線端子通過第二滑動桿中的導線與所述第一電解槽相連；所述第四接線端子通過第三滑動桿中的導線與所述第二電解槽相連。

17、優(yōu)選地，所述第一接線端子、第二接線端子、第三接線端子、第四接線端子分別位于所述第一滑動桿、豎直桿、第二滑動桿、第三滑動桿的上端面。

18、優(yōu)選地，所述第一電解槽和第二電解槽均包括鋼槽、位于所述鋼槽內外表面的橡膠層；所述第一電解槽和第二電解槽側壁的內、外側均通過金屬墊片連接。

19、優(yōu)選地，所述金屬墊片為工字型。

20、優(yōu)選地，所述豎直桿和第一電解槽側壁之間、所述第二滑動桿和第一電解槽側壁之間、第一滑動桿和第二電解槽側壁之間、第三滑動桿和第二電解槽側壁之間均設有電極墊片。

21、優(yōu)選地，所述第一電解槽的側壁通過所述電極墊片分別與第二滑動桿中的導線、豎直桿中的導線相連；所述第二電解槽的側壁通過所述電極墊片分別與第一滑動桿中的導線、第三滑動桿中的導線相連。

22、優(yōu)選地，所述第二滑動桿的下端內部與電極墊片對應的位置設有連接柱，所述電極墊片依次通過連接柱、第二滑動桿中的導線與第三接線端子相連；所述豎直桿的下端內部與電極墊片對應的位置設有連接柱，所述第二柔性電極依次通過電極墊片、連接柱、豎直桿中的導線與第二接線端子相連。

23、優(yōu)選地，所述第一滑動桿的下端內部與電極墊片對應的位置設有連接柱，所述第一柔性電極依次通過電極墊片、連接柱、第一滑動桿中的導線與第一接線端子相連；所述第三滑動桿的下端內部與電極墊片對應的位置設有連接柱，所述電極墊片依次通過連接柱、第三滑動桿中的導線與第四接線端子相連。

24、優(yōu)選地，所述第一柔性電極、第二柔性電極均為貼片電極。

25、優(yōu)選地，所述第一柔性電極和第二柔性電極分別獨立的選自ag/agcl柔性電極、石墨烯修飾的碳纖維柔性電極中的任意一種。

26、本發(fā)明可根據巖石樣品的實際情況選擇ag/agcl柔性電極或石墨烯修飾的碳纖維柔性電極作為巖石電性測量時的電極，使得巖石的電性測量更加準確。

27、優(yōu)選地，所述ag/agcl柔性電極包括依次層疊的基底層、柔性導電層、銀導電薄膜層和ag/agcl電極層；所述柔性導電層的組成包括聚二甲基硅氧烷基體和銀粉。

28、優(yōu)選地，所述基底層為銀片，所述銀片的表面具有凸點；所述凸點使得電極的基底層與柔性導電層的機械耦合更加緊密。

29、優(yōu)選地，所述柔性導電層的組成包括聚二甲基硅氧烷基體和內部摻雜的納米銀粉。

30、具體的，對于柔性導電層，聚二甲基硅氧烷(pdms)具有以下優(yōu)點：第一，楊氏模量低，具有很好的柔韌性和拉伸性；第二，耐腐蝕性強，在廣泛的使用溫度范圍內具有良好的透明性和穩(wěn)定性，可用于大面積透明柔性電子器件或熱穩(wěn)定性器件的基底材料；第三，易與電子材料相結合，使電極材料固定于其表面，且可根據需要將pdms制備成具有一定幾何形狀的結構來提高其延展性能，滿足共平面結構要求；第四，制備過程簡單易操作。此外，在pdms內部摻雜納米銀粉后，使得pdms同時具備良好的柔性和導電性。

31、優(yōu)選地，所述銀導電薄膜層為銀箔。

32、優(yōu)選地，所述ag/agcl電極層具有多孔結構，所述ag/agcl電極層的組成包括ag顆粒和agcl顆粒。

33、優(yōu)選地，所述ag/agcl電極層中的ag/agcl電極為不極化電極。

34、具體的，多孔結構使得所述ag/agcl電極層具有更大的比表面積，大大增加了電極與巖石樣品的接觸面積；且ag/agcl電極的不極化特性可大大減小測量過程中電極極化引起的測量誤差，提高測試的準確性。

35、優(yōu)選地，所述ag/agcl柔性電極的制備方法，包括以下步驟：

36、(1)制備納米ag/agcl懸濁液；

37、(2)將銀箔浸入步驟(1)所得的納米ag/agcl懸濁液中，干燥，得到電極胚體，然后燒結，在所述銀箔上形成多孔的ag/agcl電極，即得到附著有ag/agcl電極層的銀導電薄膜；

38、(3)將電極基底置于模具的底部，將pdms液態(tài)預聚物加入模具中，然后將附著有ag/agcl電極層的銀導電薄膜放置于pdms液態(tài)預聚物的表面，固化，脫模，得到ag/agcl柔性電極。

39、優(yōu)選地，步驟(1)中，所述納米ag/agcl懸濁液的制備過程為：

40、s1：將agno3加入聚乙烯吡咯烷酮(pvp)溶液中，得到pvp-agno3溶液；

41、s2：將飽和氯化鈉溶液加入pvp-agno3溶液中，得到pvp-agcl分散系；

42、s3：在pvp-agcl分散系中加入納米銀粉，得到pvp-ag/agcl分散系，得到所述納米ag/agcl懸濁液。

43、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述干燥后，將所得產品重復浸入納米ag/agcl懸濁液中，直至銀箔表面附著有均勻且致密的pvp-ag/agcl，得到電極胚體。

44、優(yōu)選地，步驟(2)中，在所述銀箔上形成多孔的ag/agcl電極后，經清洗、干燥，得到附著有ag/agcl電極層的銀導電薄膜。

45、優(yōu)選地，步驟(3)中，將銀粉、pdms、固化劑混合，得到pdms液態(tài)預聚物。

46、優(yōu)選地，所述銀粉、pdms、固化劑的質量比為(4-6)：(8-12)：1；進一步優(yōu)選地，所述銀粉、pdms、固化劑的質量比為(4.5-5.5)：(9-11)：1；更進一步優(yōu)選地，所述銀粉、pdms、固化劑的質量比為5：10：1。

47、優(yōu)選地，步驟(3)中，所述固化的溫度為50-70℃，所述固化的時間為0.8-1.2h；進一步優(yōu)選地，步驟(3)中，所述固化的溫度為55-65℃，所述固化的時間為0.9-1.1h；更進一步優(yōu)選地，步驟(3)中，所述固化的溫度為60℃，所述固化的時間為1h。

48、優(yōu)選地，步驟(3)中，所述電極基底的制備方法為：使用帶凸點的沖壓機在銀片表面壓制出凸點，得到電極基底。

49、具體的，所述凸點緊密排列。

50、具體的，本發(fā)明采用浸潤提拉法制作ag/agcl柔性電極作為巖石電性測量電極，制備柔性導電層時，采用pdms材料作為柔性基底，在其中摻雜納米銀粉作為導電通道，在保留pdms的柔性特性的同時，增強了基底的導電性；制備ag/agcl電極層時，采用pvp體系的溶膠凝膠法，pvp作為分散劑，防止agcl團聚，使得反應生成的agcl粒徑小且分散均勻；pvp作為粘連劑使得納米ag粉和agcl混合均勻；pvp作為造孔劑使得燒結后的ag/agcl電極層有微小且密集的小孔，可增大電極層的比表面積。采用浸潤提拉法使ag/agcl電極層附著于銀導電薄膜上，使電極層厚實致密，可提高電極的使用壽命。且ag/agcl電極層的材料選擇ag與agcl，在測量時形成不極化電極，極大地降低了電極極化引起的測量誤差，提高測量精度。

51、優(yōu)選地，所述石墨烯修飾的碳纖維柔性電極包括依次層疊的基底層、柔性導電層、碳纖維導電薄膜和石墨烯修飾的碳纖維電極層；所述柔性導電層的組成包括聚二甲基硅氧烷基體和銀粉。

52、優(yōu)選地，所述基底層、柔性導電層及相應的制備方法同所述ag/agcl柔性電極中的基底層、柔性導電層。

53、優(yōu)選地，所述柔性導電層的組成包括聚二甲基硅氧烷基體和內部摻雜的納米銀粉。

54、優(yōu)選地，所述石墨烯修飾的碳纖維柔性電極的制備過程，包括以下步驟：

55、(1)將碳纖維片浸入丙酮溶液中，超聲清洗，烘干，打磨表面，得到碳纖維導電薄膜；

56、(2)將步驟(1)所得的所述碳纖維導電薄膜作為正極，不銹鋼板作為負極，然后整體放置于氧化石墨烯分散液中，電泳沉積，得到氧化石墨烯修飾的碳纖維電極層，然后在氮氣環(huán)境中還原，得到石墨烯修飾的碳纖維電極層；

57、(3)將電極基底置于模具的底部，將pdms液態(tài)預聚物加入模具中，然后將石墨烯修飾的碳纖維導電薄膜放置于所述pdms液態(tài)預聚物的表面，固化，脫模，得到石墨烯修飾的碳纖維柔性電極。

58、優(yōu)選地，所述碳纖維導電薄膜的制備方法，包括以下步驟：將碳纖維片浸入到丙酮溶液中，超聲清洗，得到脫漿的碳纖維片，然后干燥、打磨碳纖維片的表面使其粗糙，得到碳纖維導電薄膜。

59、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述電泳沉積在超聲狀態(tài)下進行。

60、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述氧化石墨烯修飾的碳纖維導電薄膜先在空氣氣泵下穩(wěn)定，然后在氮氣環(huán)境中還原。

61、優(yōu)選地，所述穩(wěn)定的溫度為240-330℃，所述穩(wěn)定的時間為1.5-2.5h；進一步優(yōu)選地，所述穩(wěn)定的溫度為260-300℃，所述穩(wěn)定的時間為1.8-2.2h；更進一步優(yōu)選地，所述穩(wěn)定的溫度為280℃，所述穩(wěn)定的時間為2h。

62、優(yōu)選地，所述還原的溫度為600-800℃，所述還原的時間為4-6min；進一步優(yōu)選地，所述還原的溫度為650-750℃，所述還原的時間為4.5-5.5min；更進一步優(yōu)選地，所述還原的溫度為700℃，所述還原的時間為5min。

63、優(yōu)選地，步驟(3)中，所述電極基底、pdms液態(tài)預聚物及制備方法同ag/agcl柔性電極。

64、具體的，碳纖維具有輕質，耐腐蝕、強度大等特點，作為電極材料，碳纖維有較弱的背景電流和豐富的表面活性，適應性強，檢測范圍廣，且可根據不同需求，制作成不同種類的纖維織物，極大地拓寬了碳纖維作為電極的使用范圍。采用電化學修飾法制備的碳纖維電極表面附著有石墨烯，碳纖維表面沉積石墨烯可增加碳纖維的比表面積和表面粗糙度，因此可以更有效地增大碳纖維與測試樣品的界面結合面積，減小柔性電極與基體(測試樣品)的耦合電阻。此外，石墨烯可以增加碳纖維表面的活性官能團和化學活性，使碳纖維與基體以化學鍵合的方式連接，增強電極與被測樣品界面的機械互鎖力?？傊褂没瘜W修飾的碳纖維電極作為巖石電性測量電極，在保留了碳纖維較好的機械強度，較強的耐熱性與耐腐蝕性，以及作為電極材料的較弱的背景電流和豐富的表面活性的優(yōu)勢外，通過石墨烯修飾碳纖維，還補足了碳纖維自身導電性差，抗干擾能力差的缺點，使得巖石的電性測量更加準確。

65、具體的，本發(fā)明可根據巖石樣品的實際情況選擇相應的電極，對于孔隙度小的巖石樣品可以選用石墨烯修飾的碳纖維柔性電極，其可增大接觸面積，減小接觸電阻；對于孔隙度大或者表面粗糙度高的的巖石樣品可以選擇ag/agcl柔性電極，其可降低電極的極化程度或接觸電阻，保證測量的準確性。

66、本發(fā)明的第二方面提供一種巖石電性測量方法。

67、具體的，所述巖石電性測量方法采用本發(fā)明第一方面所述的巖石電性測量裝置進行二相電極測量法測量和/或四相電極測量法測量；

68、所述二相電極測量法，包括以下步驟：

69、將巖石樣品的兩端面分別與所述第一柔性電極、第二柔性電極貼合，然后將所述第二接線端子與測量儀器的電壓端相連，第一接線端子與所述測量儀器的電流端相連，進行測量；

70、所述四相電極測量法，包括以下步驟：

71、將巖石樣品的兩端面分別與所述第一柔性電極、第二柔性電極貼合，然后將所述第三接線端子、第四接線端子與測量儀器的電壓端相連，第一接線端子、第二接線端子與所述測量儀器的電流端相連，進行測量。

72、優(yōu)選地，安裝巖石樣品時，擰松固定螺栓，將巖石樣品的兩端面分別與所述第一柔性電極、第二柔性電極貼合，完全貼合后擰緊固定螺栓，使得第一柔性電極、第二柔性電極夾緊所述巖石樣品。

73、具體的，所述二相電極測量法和所述四相電極測量法均分別對巖石樣品的接觸電阻、電阻率、電極極化率以及阻抗譜進行測量，且采用所述二相電極測量法測量巖石樣品阻抗譜時，頻率范圍為1hz-10mhz，采用所述四相電極測量法測量巖石樣品阻抗譜時，頻率范圍為1mhz-10khz。

74、優(yōu)選地，當需要二相電極測量法和四相電極測量法聯(lián)合時，先進行二相電極測量法測量，再進行四相電極測量法測量。

75、優(yōu)選地，所述測量儀器包括萬用表、阻抗分析儀中的任意一種。

76、優(yōu)選地，對于野外較大規(guī)模的巖石，可以采用陣列電極的測量方案，多點測量。

77、本發(fā)明的第三方面提供一種本發(fā)明第一方面所述的巖石電性測量裝置在巖石測量領域中的應用。

78、相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的技術方案的有益效果如下：

79、(1)本發(fā)明巖石電性測量裝置采用一體化設計，即二相電極法測量巖石電性與四相電極法測量巖石電性結合于同一裝置，針對巖石樣品測量時，低頻測量可選擇四相電極法，高頻測量可選擇二相電極法，寬頻測量時，選擇二相電極法與四相電極法聯(lián)合的測量方案，極大地拓寬了巖石電性測量的頻帶寬度，提高了測量精度。

80、(2)本發(fā)明的測量裝置采用全金屬外殼的設計，測量時金屬外殼、測量電極以及測量儀器共同接地，降低信號干擾，提高測量準確性。

81、(3)本發(fā)明可根據巖石樣品的實際情況選擇ag/agcl柔性電極或石墨烯修飾的碳纖維柔性電極作為巖石電性測量時的電極，使得巖石的電性測量更加準確，且更靈活。此外，本發(fā)明在采用四極法測量時，可以根據不同的電解液選擇不同材料的金屬墊片，例如電解質溶液為cuso4時，可以選用銅墊片；電解質溶液為kcl或者nacl時，可以選用銀墊片。即本發(fā)明可提供不同的測量電極及測量方案，可根據實際測量條件和測量要求來進行選擇，使測量裝置具有更高的適用性。

82、(4)本發(fā)明采用柔性貼片電極的設計，在野外環(huán)境或者沒有條件制備巖石樣品的環(huán)境，仍可使用柔性電極貼附于巖石樣品表面，完成測量。對于野外較大規(guī)模的巖石，可以采用陣列電極的測量方案，多點測量，可以全方位了解巖石的實時電性特征，通過后續(xù)的數(shù)據處理實現(xiàn)巖石的內部成像，進而把握巖石電性的全局特征。