CC BY
27
© Е.Б. Черепецкая, В.Н. Иньков, 2005
УДК 622.611:620.179.16
Е.Б. Черепецкая, В.Н. Иньков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПИИ ГОРНЫХ ПОРОД С ПОМОЩЬЮ АППАРАТУРЫ ЛАЗЕРНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО СТРУКТУРОСКОПА «ГЕОСКАН - 02М»*
А нализ природы акустической и упру-./л. гой анизотропии в различных генетических типах горных пород показывает, что причинами ее возникновения могут быть кристаллографическая ориентация зерен минералов, ориентация зерен минералов по форме, ориентация микротрещин и пор, тонкая слоистость, напряженное состояние, воздействие на среду электрических, тепловых полей и т.д. [1]. Очевидно, вклад каждого из рассмотренных факторов в каждом конкретном случае может быть различным и в реальных горных породах они могут проявляться в различных сочетаниях. Очень важно оценить степень влияния каждого из них, чтобы в дальнейшем прогнозировать возможность их проявления в реальном геологическом разрезе.
Для количественной оценки анизотропии упругих свойств используются различные меры, которые имеют ограниченное применение. Исторически сложилось так, что при исследовании анизотропии горных пород доминировали слоистые модели. В этих моделях рассматривались коэффициенты анизотропии, которые представляли собой отношение величин изучаемых свойств, измеренных перпендикулярно и вдоль слоистости. Подобная относительная мера анизотропии свойств трансверсально-изотропных сред базируется на прочной теоретической основе, так как материальные тензоры второго ранга такой среды являются одноосными, а их характеристические поверхности - эллипсоиды вращения. Однако, учитывая трудность разделения эффектов анизотропии и неоднородности, исследований скоростей упругих волн в двух направлениям недостаточно. Поэтому для оценки анизотропии скоростей
упругих волн используют методику трех ортогональных направлений, согласованную с видимыми текстурными признаками горных пород.
Для оценки акустической анизотропии чаще всего используют методику, предлагающую измерение скоростей распространения продольных волн Ср в трех ортогональных направлениях X, у, 2, одно из которых согласовано с видимыми текстурными признаками исследуемого геоматериала [2, 3]. По полученным значениям Срх, Сру < Срх , Срг < Срх вычисляют коэффициент анизотропии:
С —С
А _ рх ру
Ср ср
А* _ Срх Ср2
С
(1)
' рх ~ рх
При исследовании упругих свойств интрузивных горных пород следует учитывать, что в процессе их формирования под влиянием перемещений на различных горизонтах земной коры возникает разномасштабная структурная упорядоченность. Действие несоосных деформаций в данных породах приводит к переориентировке структурных элементов. Более того, при перемещениях на более высокие горизонты происходит изменение термодинамических условий и смена элементарных механизмов их деформирования. Эти процессы вызывают увеличение числа микротрещин и некоторую преимущественную их ориентацию. Поэтому исследование анизотропии образцов интрузивных пород, взятых с разных горизонтов, должно давать представление о процессах, происходящих при их формировании. В данном случае
*Работа выполнена при государственной поддержке ведущих научных школ (грант № НШ-1467.2003.5).
Рис. 1 Частотные зависимости коэффициента затухания (а) и скорости (6) распространения упругих волн в трех взаимно перпендикулярных направлениях для образца № 1 интрузивной породы
Рис. 2 Частотные зависимости коэффициента затухания (а) и скорости (6) распространения упругих волн в трех взаимно перпендикулярных направлениях для образца № 2 интрузивной породы
Рис. 3 Частотные зависимости коэффициента затухания (а) и скорости (6) распространения упругих волн в трех взаимно перпендикулярных направлениях для о6разца № 3 интрузивной породы
иммерсионный метод, когда об-
введение одного информативного параметра (скорости распространения упругих волн) оказывается недостаточным для проведения исследований.
В настоящей работе проведено исследование анизотропии методами лазерной ультразвуковой спектроскопии. Введено два параметра анизотропии: первый - для скорости распространения упругих волн, второй - для коэффициента затухания.
Исследования выполнены на установке «Геоскан-02М» [4]. Зондирующие импульсы упругих волн имели следующие параметры: их длительность составляла 100 нс, амплитуда давления достигала 10 МПа. Использовался
разец погружался в дистиллированную воду.
Изучались образцы интрузивных пород, взятых с различных глубин. Из каждого образца были выпилены пластинки в трех взаимно перпендикулярных направлениях с учетом их текстуры. На рис. 1, 2, 3, представлены частотные зависимости коэффициента затухания а( /) и скорости звука с( /) для этих направлений. Верхняя частота для каждого образца определяется спектром прошедшего через них сигнала, а нижняя -толщиной соответствующей пластины. Рассмотрим подробнее каждый образец.
Образец № 1 обладает нарушенной структурой и явно выраженной анизотропией коэффициента затухания (рис. 1а) и скорости звука (рис. 1б). В области частот от 1,75 - 3,0 МГц дисперсионные кривые коэффициента затухания (рис. 1а) для направлений 1 и 3 практически совпадают и отличаются от направления 2 в 2,5 раза. Это говорит о том, что концентрация рассеивателей с масштабами 0,3-0,5 мм в этих направлениях в 2,5 раза больше по сравнению с направлением 2. Наименьший коэффициент затухания и максимальная скорость звука наблюдаются в
направлении 2. Значение скорости звука составляла 7700±100 м/с и было наибольшим для всех образцов. Максимальные коэффициенты анизотропии по коэффициенту затухания и скорости звука составляют 0,6 и 0,4, соответственно. Данные зависимости а(/) и с(/) для образца № 1 позволяют отнести его к транс-версально-изотропным средам.
Существенно меньшей анизотропией обладал образец № 2. Дисперсионные кривые коэффициента затухания для трех различных направлений (рис. 2а) лежат достаточно близко и в некоторых местах пересекаются, что позволяет говорить об отсутствии анизотропии затухания звука и равномерном распределении масштабов рассеивателей в этих направлениях. В отличие от коэффициента затухания скорость распространения продольных волн (рис. 2б) обладает анизотропией, хотя и значительно меньшей, чем для образца № 1. Максимальное значение коэффициента анизотропии для скорости составляет 0,13. Дисперсии скорости звука в трех различных направлениях не наблюдается.
Кривые частотных зависимостей коэффициента затухания для трех различных на-
1. Александров К.С., Продайвода Г.Т. Анизотропия упругих свойств минералов и горных пород. -Новосибирск, 2000.
2. Ржевский В.В., Ямщиков В.С. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. - М.: Наука, 1973.
3. Милеев В.С., Голосов В.П., Гранковский С.Л., Виноградов Ф.В. Определение анизотропии горных
правлений образца РТ-18 в области 1,5 -3,0 МГц (рис. 3а) расположены практически эквидистантно друг от друга и ей соответствует максимальная анизотропия затухания, равная 0,8. В диапазоне 3 - 5 МГц расстояние между кривой 3 и кривыми 1, 2 начинает увеличиваться, и коэффициент анизотропии затухания уменьшается до 0,5. Применяя метод, описанный в [4], были оценены характерные размеры рассеивателей в этих направлениях: в 1 они составляли 0,3 и 0,5 мм; 2 - 0,3, 0,4 и 0,6 мм; 3 - 0,4, 0,6 и 0,8 мм. Максимальному затуханию (кривая 3, рис. 3а) соответствует минимальная скорость распространения продольных волн (кривая 3, рис. 3б). Дисперсия скорости звука отсутствует в пределах ошибки измерений, которая составляет 2 %, но анизотропия сохраняется и ее максимальное значение составляет 0,12.
Таким образом, исследования анизотропии образцов интрузивных пород показали, что анизотропия проявляется как в скорости распространения упругих волн, так и в коэффициенте затухания. При чем эти две величины отвечают за различные эффекты: скорость характеризует упругие свойства, затухание - размеры рассеивателей. ----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
пород с помощью лазера // Докл. АН СССР. - 1980. -№ 3. - С. 685-688.
4. Белов М.А, Черепецкая Е.Б., Шкуратник
В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А., Подымова Н.Б.. Количественная оценка размеров минеральных зерен методом лазерной ультразвуковой спектроскопии // ФТПРПИ.- 2003.- № 5. - С. 3-8.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Черепецкая Елена Борисовна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Иньков Виктор Николаевич - аспирант кафедры физики,
Московский государственный горный университет.
