Акустические свойства горных пород
|
Поскольку горные породы по своей структуре относятся к поликристаллическим средам, свойства их во многом определяются совокупностью свойств слагающих их кристаллов. Акустические свойства горных пород во многом определяются свойствами породообразующих минералов. Почти во всех минералах скорость распространения упругих волн зависит от направления осей симметрии (для изотропной среды скорости остаются постоянными в любом направлении). У разных минералов скорость распространения продольной волны в различных направлениях неодинакова. Например, пироксены (рис. 6, а) и кварц (рис. 6, б) обладают умеренно упругой анизотропией. Наиболее резко анизотропия выражена у полевого шпата (рис. 6, в), где скорости вдоль разных направлений отличаются более чем в 1,5 раза. У кристаллов кубической сингонии скорости упругих волн измеряются в одном направлении. Чем больше скорость распространения упругих волн в каком-нибудь направлении в минерале, тем прочнее межатомная связь в этом направлении.  В горных породах скорости распространения упругих волн изменяются в широком диапазоне и зависят от физических свойств, структуры, текстуры, состояния и других внутренних и внешних факторов. Скорость распространения продольных упругих волн в скальных породах изменяется в основном в интервале 1500—7000 м/с, поперечных волн — 800—5000 м/с. Соотношение скоростей распространения продольных и поперечных упругих волн в разных горных породах изменяется в широком диапазоне. У магматических и метаморфических пород обычно Cp/Cs = 1,7/1,9. В случае полного водонасыщения пород это отношение Ср/Сs несколько увеличивается. У осадочных пород оно изменяется от 1,5 до 2,0 и более. Однако следует отметить, что с увеличением глубины залегания осадочных пород диапазон изменений соотношения резко сужается.  В табл. 1 приведены наиболее вероятные значения скоростей распространения упругих волн в различных горных породах. Скорости распространения упругих волн в породах заметно изменяются в зависимости от минерального состава, плотности, пористости, зернистости и других параметров. Их значения увеличиваются от кислых разностей интрузивных пород к основным и ультраосновным, У изверженных пород заметно уменьшение значений скоростей распространения упругих волн с увеличением содержания SiO2. В породах основного состава скорости продольных волн в интрузивных разностях в среднем на 20 % выше, чем в эффузивных. С повышением кислотности это различие уменьшается. У скоростей распространения поперечных волн такая связь не наблюдается. Значения скоростей распространения продольных и поперечных упругих волн для магматических и метаморфических пород линейно связаны с плотностью. Для осадочных пород такой закономерности не наблюдается. Значения скоростей упругих волн изменяются в связи с невыдержанностью структурно-текстурных характеристик пород в различных местах отбора проб для испытаний. Так, коэффициент вариации скоростей продольных волн у пород, взятых с одного месторождения, составляет: у глин до 40 %, у известняков и доломитов до 25 %. Распределение значений скоростей упругих волн у большинства магматических и метаморфических пород подчиняется нормальному закону. В отличие от скорости распространения упругих волн, физическая дисперсия которых у большинства пород практически отсутствует, коэффициент затухания определяется частотой упругих колебаний. В широком диапазоне частот — от 1 Гц до 10 МГц коэффициент затухания а у разных горных пород изменяется от 1*10в-8 до 2*10в2 м-1. Декремент затухания в этом же диапазоне частот в среднем изменяется от 1*10в-2 до 1,0. Коэффициент затухания увеличивается с возрастанием частоты. Однако четко выраженной однозначной функциональной зависимости затухания от частоты для пород не установлено. Приближенно тенденция возрастании коэффициента затухания с частотой может быть апироксимирована линейной зависимостью  где γ — угловой коэффициент [γ = 1(10в-6/10в-4) с/м]. В сравнительно небольших частотных интервалах для различных горных пород могут существовать зависимости и других видов. Например, у гранитов в интервале частот от 10 до 1000 кГц наилучшая аппроксимация наблюдается при описании частотной зависимости квадратичной функцией α=mf2, где т — коэффициент пропорциональности. У габбро-диабазов, кварцитов, гранито-гнейсов, песчаников, сланцев и других пород частотная зависимость в интервале от 500 до 5000 кГц подчиняется закону α = A1f + A2f2. Такая зависимость наблюдается как для продольных, так и для поперечных волн. Можно считать, что декремент затухания, равный произведению коэффициента затухания на длину волны (αλ), в каждом типе изверженных и осадочных пород не зависит от частоты. Влияние межзеренных границ на коэффициент затухания проявляется в том, что последний в монокристалле по крайней мере на порядок меньше, чем в породе, состоящей из данного минерала. При этом чем мельче зерна породы, тем больше сказывается фактор рассеяния. Влияние факторов пористости, трещиноватости и несовершенства контактов между зернами минералов в породе проявляется при воздействии на нее давления. Исследования на горных породах показывают, что коэффициент затухания упругих волн с увеличением давления уменьшается. Это связано с уплотнением связей между минералами. Размер зерна в породе (d) определяет граничную частоту, при которой соблюдается квадратичный закон рассеяния (αP=A2f2). Так, у гранита (d=2,5 мм) граничная частота по экспериментальным данным составляет 2 МГц; габбро-диабаза (d=1 мм) — 6 Мгц; песчаника (d=1,2 мм) — 3,5 МГц. У кристаллических пород коэффициент затухания поперечных волн обычно равен коэффициенту затухания продольных волн или примерно в 1,5—2 раза больше. У влажных глин и водонасыщенных песков наблюдается значительное различие в коэффициентах затухания поперечных и продольных волн (до 5 и более). Если скорости продольных и поперечных волн в породах большие, то коэффициенты затухания этих типов волн имеют, наоборот, небольшие значения. При этом следует отметить, что если скорости распространения упругих волн во многих крепких монолитных породах изменятся всего на 40—60%, то их коэффициенты затухания — в 2—4 раза. Это обстоятельство указывает на тот факт, что коэффициент затухания упругих волн является более чувствительным параметром для качественной характеристики горных пород, чем скорость ультразвука. В дистиллированной воде при комнатной температуре (Т=18°С) скорость ультразвука составляет 1476 м/с и может служить эталоном при настройке и калибровке приборов для измерения скорости. Скорость звука в морской воде изменяется от 1420 до 1540 м/с. В водных растворах она определяется концентрацией растворимого вещества. При изменении температуры и давления скорость звука не остается постоянной. У всех жидкостей, кроме воды, она уменьшается с повышением температуры, а у воды возрастает. Приближенно можно считать, что скорость звука увеличивается на 2,5 м/с при изменении температуры на 1 °С. Давление оказывает на нее сравнительно небольшое влияние. При увеличении давления характер изменения скорости звука в воде близок к линейному закону, а приращение скорости на 1 МПа давления составляет примерно 2 м/с. Затухание упругой энергии при распространении волны в воде незначительно. Среднее значение отношения α/f2 при температуре 20°С составляет около 25*10в-17 неп/(см*Гц2). Такой коэффициент затухания создает двойное ослабление амплитуды ультразвуковой волны (при частоте 1 МГц) на расстоянии 28 м. Присутствие растворимых солей, воздушных пузырьков, взвесей твердых частиц увеличивает затухание в жидкости по сравнению с затуханием в дистиллированной воде. Причем различие коэффициентов затухания для морской и пресной воды особенно резко сказывается на частотах до 0,5—1 МГц. С повышением частоты это различие уменьшается. Жидкостные взвеси твердых частиц (суспензии) имеют акустические свойства, отличные как от жидкости, так и от твердого компонента. Значения же акустических показателей зависят от концентрации твердых частиц и их размеров. При уменьшении разницы в соотношении между размером частиц и длиной волны скорость упругих волн начинает мало зависеть от изменения концентрации частиц, а при размерах частиц, близких к длине волны, скорость во взвеси становится почти равной скорости в жидкости. Коэффициент же затухания изменяется во взвесях более значительно, чем скорость. Это связано с дополнительными источниками потерь энергии, возникающими при распространении упругих волн. Коэффициент поглощения звука имеет наименьшее значение в сухом воздухе. При относительной влажности 12—20 % в диапазоне 3—10 кГц он достигает максимального значения и составляет 0,17—0,56 дБ/м. При дальнейшем увеличении относительной влажности воздуха коэффициент поглощения звука падает. |
