Об особенностях измерений акустических характеристик горных пород на образцах малых размеров Текст научной статьи по специальности «Физика»

--------------------------------------- © Е.Б. Черепецкая, М.А. Белов,

2004

УДК 622.611.4 : 620.179.16 Е.Б. Черепецкая, М.А. Белов

ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ИЗМЕРЕНИЙ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД НА ОБРАЗЦАХ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ *

зучение перспектив рудоносности и нефтегазоносности основных районов нашей страны связано с изучением глубинного строения земной коры. Более того глубина подземных сооружений для добычи полезных ископаемых также постоянно увеличивается. В связи с этим особую актуальность приобрела проблема петрофизического обеспечения этих работ, связанная с изучением фи-зическо-механических свойств по образцам горных пород, которые во многом определяются их модулями упругости и могут быть рассчитаны из измеренных в массиве или образцах значений скоростей распространения продольных, сдвиговых и релеевских волн. При этом наиболее часто используются образцы в виде кубиков с ребром 3 см. Однако, как показал опыт бурения сверхглубоких скважин, начиная с некоторых глубин, наблюдается тотальное дискование керна и он, как таковой, отсутствует. В горном деле эта проблема также актуальна, поскольку существуют множество горных пород и полезных ископаемых, из которых невозможно отобрать образцы вышеуказанного размера. Причем, как правило, именно эти породы (трещиноватые, плойчатые, слоистые), а не массивные и однородные, представляют основной промышленный интерес, как в нефтяной, так и рудной петрофизике.

Для измерения скоростей распространения упругих волн в образцах толщиной 4-5 мм необходимо, чтобы длительность импульсов не превосходила 0,1 мкс, что соответствует пространственной протяженности сигнала менее 0,5 мм. В связи с сильным затуханием и рассеянием таких сигналов амплитуда давления в них должна составлять, по крайней мере, несколько мегапаскалей. К настоящему времени

не существует надежного способа измерения скоростей упругих волн в геоматериалах, размеры образцов которых менее 1 см.

В настоящей работе предлагается для решения данной задачи использовать термооптическое возбуждение коротких ультразвуковых импульсов. Как показано в [1, 2], при поглощении лазерного излучения на свободной границе изотропного твердого тела возбуждаются все три типа упругих волн: продольная, сдвиговая и поверхностная. При использовании коротких лазерных импульсов длительностью 10-15 не и значениях коэффициента поглощения в несколько десятков обратных сантиметров (характерные значения коэффициентов поглощения для горных пород в видимой и инфракрасной областях) возникают биполярные симметричные импульсы продольных и релеевских волн, состоящие из фазы сжатия и фазы разрежения, и импульс сдвиговой волны с увеличенной по амплитуде фазой сжатия. Длительность импульсов упругих волн, распространяющихся в глубь среды, имеет порядок 1/ ц с

(где ц - коэффициент поглощения света в среде, С - скорость распространения упругих волн в среде) и соответственно равна 100^300 не. Спектр таких сигналов по уровню 0.5 лежит в диапазоне 500 кГц 4 МГц, пространственная протяженность импульсов продольных волн составляет 0.3^0.6 мм. Такие параметры возбуждаемых сигналов позволяют производить измерения скоростей звука на образцах геоматериалов с толщиной всего в несколько миллиметров. При этом снимаются ограничения и на поперечные размеры образцов: ширина области генерации не превосходит нескольких миллиметров, а при толщине образцов в 5 мм уширение пучка за счет дифракции низкочас-

*Работа выполнена при государственной поддержке ведущих научных школ (грант № НШ-1467.2003.5)

Таблица 0.04-

Тищдш ч * 0,00- >оды и образі голщина Измеренные значения скоростей ультразвуковых колебаний, км/с

Г\ Прибор УД2-16 Установка "Геоскан-02М"

Г\ / Сі Сі Сі

мЦамо{ Мфамо^ Изве0<№ Известь , й=30 г , а=8 мі як, а=3( як, а=8 1^ мм №м 4,63 8,81 2,43 4,94 4,93 4,7 4,68 2.71 2.72 2.49 2.49

6 8 10 12 14 16 18

Таблица 2 г, мкс

Образцы железистог6нс. ' Скорости продольных волн,км/с Скорости сдвиговых волн,км/с

кварцита с max С1 с min С1 < С1 > с max '-'і „ min і < Сі >

№1 5,68 5,21 5,35 3,02 2,69 2,77

№2 6,32 5,93 6,08 3,38 3,15 3,24

тотной части спектра не превосходит двух-трех раз. Поэтому поперечные размеры могут быть не больше 1 см.

Эксперименты были выполнены на ультразвуковом структуроскопе «Геоскан - 2М» [3, 4], принципиальная схема которого приведена на рис. 1. Импульс твердотельного лазера 1, работающего в режиме модуляции добротности на основной длине волны 1,064 мкм, падает перпендикулярно к лицевой поверхности образца 2. Временной профиль лазерного импульса близок к гауссовому с характерной длительностью Т0 ~10^12 не, энергия в импульсе

до 260 мДж, частота повторения импульсов 2 Гц. При поглощении лазерного излучения происходит нестационарный нагрев приповерхностного слоя образца. Расширение нагретой области и граничные условия приводят к генерации всех трех типов упругих волн: продольной, сдвиговой и поверхностной. Импульсы продольных и сдвиговых волн, распространяющиеся в глубь образца, регистрировались широкополосным пьезоприемником 3. При исследовании проводился иммерсионный вариант измерений и в качестве соединительного слоя использовалась вода. Пьезоприемник через предусилитель 4 был соединен с цифровым запоминающим осциллографом 5 (с аналоговой частотой 100 МГц и

частотой дискретизации 1 ГГц) и _____________

персональным компьютером б. ^

Временное разрешение системы регистрации составляло 3^1 не, отношение сигнал/шум - 30 дБ.

Исследования проводились на образцах известняка, мрамора и железистого кварцита. Первоначально образцы мрамора и известняка представляли собой кубики с ребром а =30 мм. Такие размеры позволяли предварительно провести измерения скоростей продольных С1 И СДВИГОВЫХ С{ волн с помощью

серийного дефектоскопа УД2-16. Полученные таким образом значения для скоростей приведены в табл. 1.

Первоначально на структуроскопе исследовались те же кубики, а затем они были разрезаны на пластины толщиной 6^8 мм, которые вновь подвергались лазерному воздействию. Так как ширина ультразвукового пучка в дефектоскопе УД2-16 составляла несколько сантиметров, то для возможности сопоставления экспериментальных данных использовался широкий лазерный пучок. В результате поглощения светового пучка на поверхности пластин возбуждались все типы упругих волн: поверхностные, продольные и сдвиговые. Последние две из них и регистрировались широкополосным пьезоприемником.

Осциллограмма сигнала, возникающего в образце мрамора толщиной 8 мм, приведена на рис. 2. Видно, что биполярный импульс про-

Рис. 1

дольной волны асимметричен: более сильная дифракция на низких частотах привела к увеличение амплитуды фазы разрежения по сравнению с амплитудой фазы сжатия. На этом же треке наблюдается и импульс сдвиговой волны. По временной задержке импульсов соответствующих волн относительно лазерного импульса и определялись скорости соответственно продольных и сдвиговых волн. Полученные значения скоростей ультразвука представлены в табл. 1. На рис. 3 приведена осциллограмма сигнала, прошедшего образец мрамора толщиной 30 мм. Трехполярная форма импульса продольных волн

<, МКС Рис. 3

говорит о сильном влиянии дифракции и затухания при больших толщинах образца, импульс сдвиговой волны имеет малую амплитуду и в данном масштабе слабо различим.

Использование лазерного излучения для возбуждения импульсов упругих волн дает еще одно преимущество. Если на стандартных дефектоскопах типа УД2-16 при широких пучках можно определять лишь усредненные по объему значения скорости упругих волн, то фокусировка оптического пучка приводит к возможности определения локального значения

скоростей. Проведенное сканирование по поверхности образца с шагом 5 мм показало, что значения скорости продольных и сдвиговых волн менялись в пределах 10 %.

Измерения были проведены также и на серии образцов железистого кварцита Михайловского месторождения. Оценки скорости звука при сканировании по поверхности с шагом 5 мм приведены для двух наиболее характерных образцов (табл. 2).

В состав первого из них входили следующие основные минералы: магнетит, кварц, кальцит, зеленая слюда, гидроксиды. Образец №1 толщиной 4,6 мм был взят с глубины 73 м. Из табл. 2 видно, что средние значения скоростей упругих волн для данного образца составили соответственно: 5.35 -103 м/с для продольных волн и 2.77 -103 м/с - для поперечных. Второй образец отличался от первого по минеральному составу. В нем вместо слюды присутствовал эгирин. Толщина образца была равна 4.5 мм, а сам образец был взят с глубины 271 м. Полученные для него средние значения скоростей упругих волн составили:

6.08 -103 м/с для продольных волн и 3.24 • 103 м/с - для поперечных. Отличие в минеральном составе образцов, а также различная глубина залегания, привели, по-видимому, к отличию в значениях скорости звука. Провести измерения на данных образцах с помощью дефектоскопа УД2-16 не оказалось возможным.

Таким образом, использование термооптического возбуждения коротких ультразвуквых импульсов оказывается удобным при измерении скоростей распространения упругих волн в образцах малых размеров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черепецкая Е.Б. Математическая модель лазерного возбуждения упругих импульсов при ультразвуковой структуроскопии неоднородных материалов.// ОПиПМ, 10, №3 (2003), с. 774-775.

2. Карабутов A.A., Макаров В.А., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б. Теоретическая оценка параметров ультразвуковых импульсов, возбуждаемых в геоматериалах лазерным излучением. // ФТПРПИ, №4(2003).

3. Белов М.А., Карабутов A.A., Макаров В.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.А. Возможности лазерно-

ультразвуковой томографии в диагностике горных пород.// Техническая механика, Межведомственный сборник научных трудов, вып.34 (2002), Симферополь, с. 5357.

4. Белое М.А., Карабутов A.A., Макаров В.А., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б., Подымова Н.Б. Количественная оценка размеров минеральных зерен методом лазерной ультразвуковой спектроскопии.// ФТПРПИ, №5(2003), с. 3-8.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------------

Черепецкая Елена Борисовна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики,

Белов Михаил Алексеевич - аспирант, кафедра «Физико-технический контроль процессов горного производства»,

Московский государственный горный университет.

Рис. 1 акустичес. нии пло ( мз345^ еримен :их сиг/ пности ь1). тальные в} алое в рас энергии тавре Щ6№и пр1 .1нзер4юго 8 оптико-1 измене-гмпульса

У 1 0,50,0 -0,5- ]

6,50 6,75 7,00 7,25 7,50 7,75 8,00 8,25 8,50

Время ?, мкс

------------------------------------ © Е.Б. Черепецкая, В.Н. Иньки»,

2004

УДК 622.611.4 : 620.179.16

Е.Б. Черепецкая, В.Н. Иньков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ В ГЕОМАТЕРИАЛАХ*

Горные породы по своей структуре представляют совокупность большого числа беспорядочно ориентированных кристаллитов различных минералов с включением аморфной фазы, а также характеризуются наличием трещин и пор. Прочностные и деформационные свойства скальных горных пород во многом определяются размером именно этих неоднородностей, характерные масштабы которых могут изменятся в очень широких

охватывающих диапазон частот от сотен килогерц до десятков мегагерц [1].

Данная проблема может быть решена с помощью лазерных ультразвуковых источников, принцип действия которых заключается в следующем: при падении лазерного излучения на границу раздела оптически прозрачной и поглощающей сред в последней происходит локальный разогрев приповерхностного слоя [2]. Дальнейшее расширение этого слоя приводит к

*Работа выполнена при государственной поддержке ведущих научных школ (грант № НШ-1467.2003.5).

пределах от сантиметров до нескольких микрометров. Для диагностики структуры образца и нарушенное™ оказывается перспективным использование методов ультразвуковой спектроскопии.

Основной проблемой при реализации ультразвуковой спектроскопии является создание широкополосных мощных источников упругих волн. К сожалению, к настоящему времени не существует пьезоэлектрических источников,

возбуждению импульсов упругих волн, амплитуда давления которых при использовании сильнопоглощающих сред и коротких лазерных импульсов может достигать десятков МПа. При этом длительность таких сигналов составляет 50 - 100 не, что соответствует частотному диапазону от 50 кГц до 30 МГц.

Как было теоретически показано в работе [3], дальнейшее повышение амплитуды сигналов, возбуждаемых данным способом, возможно за счет использования нелинейных процес-