地球物理复电导率法近年来逐渐被应用于水文地质领域中对多孔介质的结构特征、流体/污染物属性和传输等特性的刻画和预测。作为地球物理参数与水文地质参数间的桥梁，岩石物理模型的准确性是解译复电导率数据并获取水文地质信息的关键前提。已有研究从实验室观测数据出发，建立了多孔介质复电导率与饱和度间以幂律关系为核心的岩石物理模型。但由于孔隙结构、流体分布及界面结构等特征存在差异，研究发现饱和指数的值并非恒定常数，而是随介质特征变化。然而，现有研究尚未确定影响饱和指数变化的物理机制，限制了野外场地复电导率信息的准确解译。
针对此问题，太阳官网施小清教授课题组从孔隙微观特征入手，开展了复电导率饱和指数的影响机理研究。为解决因复（虚）电导率信号强度低，现有实验装置无法同时对部分饱和（孔隙中同时存在水相和非水相）或非饱和（孔隙中同时存在水相和气相）多孔介质进行孔隙水成像与复电导率监测的问题，研发了基于表面黏土覆层技术的微模型实验装置（图1），成功实现了多孔介质的复电信号响应与孔隙水分布信息的实时同步获取。通过该微模型装置获取的稳定复电导率监测数据，发现了饱和指数随多孔介质的饱和度和孔隙水连通状态而变化（图2）。基于实验结果分析探讨了可能影响饱和指数的孔隙水特征因素，并进一步采用理想的孔隙网络模型对相关特征进行模拟验证，以阐明饱和指数的影响机制。针对实验与数值模拟中孔隙水分布特征难以定量的难题，提出了基于欧拉数的孔隙水形态量化方法，通过图像分析直接获取“孔隙水连通状态”参数。研究结果揭示了复电导率饱和指数与孔隙水连通性随饱和度的变化率之间近似的幂律相关关系（图3），建立了多孔介质的微观性质与宏观岩石物理模型间的桥梁，对提升地质、环境、能源等领域中电法勘探数据的解译具有重要指导意义。
图1. 用于复电导率监测与孔隙水实时成像的微模型实验装置
图2. 微模型实验结果证实了虚实电导率的饱和指数（图中电导率-饱和度曲线的斜率）随多孔介质的饱和度变化
图3. 理想孔隙网络数值模拟与微模型实验获得的饱和指数均与其孔隙水连通性随饱和度的变化率呈近似幂律相关关系
上述成果近期以“Quantitative Evaluation of the Effect of Pore Fluids Distribution on Complex Conductivity Saturation Exponents”为题，发表于地球物理领域NI期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth。博士研究生强思远为论文第一作者，施小清教授为通讯作者，太阳集团tyc539为第一署名单位。合作者包括法国EDYTEM实验室André Revil教授等。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金资助。课题组前期通过微流控实验揭示了饱和指数与多孔介质润湿性和孔隙水拓扑性质的关系（Qiang et al., 2022 WRR），但尚未考虑介质（尤其是含黏土介质）中的表面电导率与极化现象。本研究（Qiang et al., 2024）将前期工作拓展至同时考虑复电导率的实部与虚部相关的两种饱和指数，定量讨论了饱和指数与孔隙水形态量化参数的关系，为含黏土介质的电法勘探数据解译提供了深入的理论依据和技术支撑。
论文信息：
[1] Qiang, S., Shi, X., Revil, A., Kang, X., Song, Y., & Xing, K. (2024). Quantitative evaluation of the effect of pore fluids distribution on complex conductivity saturation exponents. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2024JB028689. https://doi.org/10.1029/2024JB028689.
[2] Qiang, S., Shi, X., Revil, A., Kang, X., Liu, Y., & Wu, J. (2022). Residual NAPL morphology effects on electrical resistivity: Insights from micromodel displacement experiments and pore network simulations. Water Resources Research, 58, e2022WR033233. https:// doi.org/10.1029/2022WR033233.
