CC BY
21
- © A.A. Карабутов, П.Ю. Лысенко,
Л.Л. Панасьян, Н.Б. Полымова, Е.Б. Черепепкая, Л.В. Афанасьев, А.И. Пашкин, 2013
УДК 622.611:620.179.16
A.A. Карабутов, П.Ю. Лысенко, Л.Л. Панасьян, Н.Б. Полымова, Е.Б. Черепепкая, Л.В. Афанасьев, А.И. Пашкин
ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТРОПИИ СЕРПЕНТИНОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Методом лазерной ультразвуковой спектроскопии измерены частотные зависимости фазовых скоростей упругих волн и коэффициента затухания для серпентинов трех генетических типов Главного Уральского Разлома. Определены параметры анизотропии для сдвиговых и продольных волн. Показано, что анизотропия исследуемых образцов связана либо с ориентацией минералов, либо с наличием микротрешиноватости. Оценены максимальные размеры минералов в трех взаимно перпендикулярных направлениях.
Ключевые слова: микротрешиноватость, метаморфизм, ультрабазиты, пьезопри-емник, геоматериал.
Серпентинит образуется при метаморфизме гипербази-тов, карбонатных и магнезиальных пород. Минералы данной группы формируются в различных геологических условиях и, как показано в последнее время, их фазовые [1] переходы несут информацию о глубинных мантийных и субиндукционных процессах. Упругие характеристики серпентинов сильно меняются от их фазового состава и таких условий формирования, как давление и температура[2,3]. Последнее может быть использовано при интерпретации геофизических данных о глубинном строении литосферы.
Настоящая работа посвящена исследованию методом лазерной ультразвуковой спектроскопии с исполь-
зованием установки «ГЕОСКАН-02М» упругих свойств и анизотропии одного из генетических типов сертентини-тов, развитых по ультрабазитам и отобранных из массивов, расположенных вдоль Главного Уральского Разлома.
Данный метод позволяет осуществлять структурную диагностику горных пород и определять локальные частотные зависимости скоростей продольных волн и коэффициента затухания в диапазоне частот 300 кГц - 40 МГц, реализовать бесконтактное возбуждение зондирующих сигналов со значительными и регулируемыми амплитудами давления (вплоть до 10 МПа) и использовать практически весь спектр возможных информативных параметров контроля пород [4, 5].
Работа выполнена в рамках Государственного контракта №14.518.11.7044 и гранта РФФИ №11-05-00574-а.
Рис. 1. Принцип работ установки «ГЕОСКАН-02М»
Принцип работы лазерной оптико-акустической системы схематически показан на рис. 1. Импульс Ш:УАв-лазера с модуляцией добротности (1) поглощается в специальном оптико-акустическом (ОА) источнике (2), что приводит к неоднородному нестационарному нагреву приповерхностного слоя источника и возникновению в нем упругих механических напряжений. Эти напряжения обуславливают возникновение импульса давления - ультразвукового импульса продольных акустических волн (ОА сигнала).
Ультразвуковой импульс, возбуждаемый в ОА источнике (зондирующий или опорный сигнал) распространяется в исследуемом образце (3) и регистрируется с помощью широкополосного пьезоэлектрического приемника (4), находящегося в акустическом контакте с образцом (рис. 1). Для обеспечения такого контакта ОА источник, образец и пьезоприем-ник были разделены слоями иммерсионной жидкости (дистиллированной воды, на рис.1 не показаны) и вмонтированы в кювету, представляющую собой оптико-акустическую измерительную ячейку. Локальность
тестирования в поперечном направлении определяется поперечным размером излучаемого ультразвукового пучка, совпадающего с характерным диаметром лазерного пучка, ширина которого варьировалась в различных преобразователях от l,5 мм до б мм. Электрические сигналы с пьезоприемника подавались на двух-канальный цифровой запоминающий осциллограф типа Tektronix, запуск осциллографа синхронизован с моментом излучения лазерного импульса. Отношение сигнал-шум регистрируемых электрических сигналов составляло 50—60 дБ.
В результате быстрого Фурье-преобразования регистрируемых электрических сигналов определялись фазовый и амплитудный спектры, по которым восстанавливались частотные зависимости фазовой скорости продольных волн и коэффициента затухания.
Измерения фазовой скорости поперечных (сдвиговых) акустических волн проводились с использованием оптико-акустического метода при поглощении лазерного импульса в самом исследуемом образце. Возбуждаемый импульс продольных волн L являлся однополярным (сжатие), фаза разрежения появлялась из-за дифракции ультразвука в образце. Импульс сдвиговых акустических волн (S-волн) возбуждался при отражении импульса L от облучаемой акустически свободной поверхности образца (граница воздух — образец). Регистрируемая форма S-волны определялась акустическим полем сдвиговой волны, трансформируемой в продольную при переходе из образца в иммерсионную жидкость. Полученный импульс S-волны, определяемый сдвиговой волной, сильно растянут по сравнению с импульсом продольных волн
и
•18 8 ь
3 *
II
во с
о -
1-!
5500-; 5000 4500 4000 3500 300025002000
1500
4 е
Ггеяиепсу /, МНг
Рис. 2
4 6 (
Бг^иепсу /, МНг
Рис. 3
Ь, а момент прихода отрицательного пика сигнала Б-волны определялся временем распространения сдвиговой волны по образцу. Импульс, следующий после этого сигнала, представлял собой переотражение импульса продольных волн Ь в слое иммерсионной жидкости между образцом и пьезоприемником.
По измеренной разности времен прихода на пьезоприемник максимума импульса Ь и минимума импульса Б и по измеренной фазовой скорости продольных акустических волн опре-
10
делялась фазовая скорость сдвиговых волн в образце.
Для исследования была отобрана серия образцов с крупнозернистыми микроволокнистыми параллельными белыми прожилками хризолита, между которыми наблюдались микропрожилки магнетита в основной зеленой скры-токристаллической массе породы. Данные образцы были взяты из Нуралин-ского дунитового массива из ультрабазатов Баже-новского месторождения. Были исследованы образцы различных геометрических форм. В первом случае они представляли собой пластинки толщиной 5 мм с площадью поперечного сечения порядка 8 см2, вырезанные в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Во втором - в виде кубиков с ребром порядка 25 мм.
10 При диагностике пластин
использовались узкие оптические пучки диаметром 2 мм, для кубиков для уменьшения влияние дифракции — широкие с характерным поперечным размером 6 мм.
На рис. 2 приведены три наиболее типичные кривые частотных зависимостей фазовых скоростей для одного из образцов для двух «темных» участков и одного «белого». Видно, что для одной из «темных» полос значение фазовой скорости практически не изменяется во всем частотном диапазоне от 0,5 МГц до 10 МГц и составляет (4750 ± 50) м/с; для второй «темной» полосы скорость изменяется от (3750 ± 50) м/с для частоты 0,5 МГц
до (4250 ± 50) м/с для частоты 4 МГц и остается постоянной в диапазоне частот 6 - 10 МГц и равной (3250 ± 50) м/с (кривая 2 рис. 2). Резкое уменьшение скорости продольных волн для данной полосы в диапазоне 4 - 6 МГц свидетельствовало о наличии микродефектов в виде трещин с характерными масштабами от 1 мм до 300 мкм. Исследование данной полосы в режиме лазерно-ультразвуковой эхоскопии подтвердило наличие областей разуплотнения. Значения коэффициента анизотропии, введенные для скоростей упругих волн, изменялись от 1,1 на частоте 0,5 МГц до 1,3 на частоте 6 МГц для продольных волн и, соответственно, от 1,3 до 1,5 для сдвиговых волн. Аналогичные результаты были получены для «белой» полосы, для которой крупнозернистые микроволокнистые прожилки хризолита приводили в сильному рассеянию и меньшим в два раза значениям скорости продольных волн во всем частотном диапазоне.
Анализ частотных зависимостей коэффициента затухания для этого образца показала, что данная характеристика упругих волн более чувствительна к анизотропии (рис. 3). Коэффициент анизотропии по затуханию может отличаться более, чем в 20 раз, например, на частоте 1 МГц (рис. 3). Более того, частотная зависимость коэффициента затухания, представленная в координатах а(2) как функцию I2, позволяет оценить максимальный радиус рассеивателей (зерен) Зтах [6]. Оказалось, что максимальная скорость продольных волн вдоль ориентации зерен с максимальным размером порядка 110 мкм, причем максимальные поперечные размеры зерен по результатам лазерной ультразвуковой спектроскопии составляли 60 мкм.
Для остальных образцов повышенные значения скоростей продольных волн в большинстве случаев наблюдались в направлении, параллельном ориентированности минералов в породе. Минимальные скорости упругих волн (соответственно, продольных волн порядка 1300 м/с и 800 м/с для сдвиговых) имели образцы клинохри-зотила с опалом; максимальные -4800 м/с и 2600 м/с образцы анти-горита из зеленого офиокальцита. По данным значениям скоростей были пересчитаны модули Юнга и коэффициенты Пуассона, которые в значительной степени зависели от анизотропии породы и ориентированности минералов в ней.
Коэффициент анизотропии, оценивался по обоим типам скоростей упругих волн частотной зависимости коэффициента затухания с учетом 3-х направлений измерения и для других генотипов серпентинов. Оказалось, что более высокими показателями анизотропии характеризуются образцы с отчетливой полосчатой структурой или интенсивно трещиноватый. Четко прослеживается влияние макро- и микротрещинова-тости на величину скорости продольных волн коэффициента затухания. Максимальное снижение этого параметра по скорости упругих волн в 3 раза до 20 раз по затуханию происходит в сильно ожелезненном по трещинам образце 4. Скорости поперечной волны снижаются максимально на 32 % для тех же трещиноватых разновидностей.
Таким образом, показано, что исследование физико-механических свойств образцов геоматериалов методом лазерной ультразвуковой позволяет оценить их анизотропию и связать ее с внутренней структурой данных образцов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Golodkovskaya G.A, Panasiyan L.L., Petrovsky M.A., Koledov S.A. New aspects of rock of stress study.//5-thICIA OF Engineering Geology. - Rotterdam. — 1986. — P. 435—439.
2. Speziale S., Marquardt H., Koch-Muller M, Marquardt K, Ca pit an i G, Jahn S., Wilke M. High-pressure Brillouin and Raman spectroscopy of a natural anti-gorite single-crystal.// EMC. - Vol.1. -EMC2012-557. - 2012.
3. Murakami M. Sound velocities of Earth's deep materials.// IMA-2010/
4. Карабутов A.A., Макаров B.A., Чере-пецкая Е.Б.// Лазерно-ультразвуковая спектроскопия горных пород.// М.: «Горная книга». - 2008. - 198 с.
5. Лы>кенко П.Ю., Простяков Р.Г., Вдо-вин С.О. Оценка поврежденности геоматериалов методом лазерной ультразвуковой спектроскопии.// ГИАБ. - 2012. — № 6. -С. 138—142.
6. Stanke F.E., Kino G.S. A unifien theory 1. For elastic wave propagation in polycrystal-line materials.// J/Acoust. Soc.Am. - 1984. -Vol.75, № 3. - P. 665—681. SHE
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Черепецкая Е.Б. — профессор, Лысенко П.Ю. — аспирант, Афанасьев Л.В. — студент, Пашкин А.И. — студент,
Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru,
Карабутов А.А. — профессор,
Подышова Н.Б. — старший преподаватель,
Панасьян Л.Л. — доцент,
МГУ им. М.В. Ломоносова
ГОРНАЯ КНИГА -
Дисперсное золото: геологический и технологический аспекты
А.Г. Секисов, Н.В. Зыков, B.C. Королёв Год: 2012 Страниц: 224 ISBN: 978-5-98672-314-3 UDK: 622.34+550.4
Приведены результаты исследований плазмохимических, фотохимических и электрохимических процессов воздействия на минеральные матрицы при извлечении дисперсного золота во взаимосвязи с минералого-геохимическими и геолого-технологическими особенностями руд. Представлен анализ перспективных отечественных и зарубежных технических решений в области аналитических методов определения содержания дисперсного золота в пробах, изложены технологические особенности БВР и управление качеством золотосодержащих руд и технологий их переработки.
А.Г, СЕКИСОВ Н.В. ЗЫКОВ В С, КОРОЛЕВ
ДИСПЕРСНОЕ ЗОЛОТО:
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ
