2014-02-17
3413
Акустические свойства пород определяются их упругими характеристиками. Скорость продольных волн возрастает с увеличением модуля Юнга и коэффициента Пуассона. С изменением коэффициента Пуассона от 0,1 до 0,4 vP увеличивается примерно на 45%. Скорость поперечных волн возрастает с увеличением Е, но уменьшается с ростом v (примерно в 1,2 раза при изменении от минимальных до максимальных значений). Поэтому максимальные скорости упругих волн
наблюдаются у малопористых пород, сложенных из темноцветных минералов, имеющих большие значения Е. Например, скорость продольных волн в габбро, перидотитах, базальтах, скарнах и т. д. достигает 6000—7000 м/сек (см. приложение 10). Акустические свойства многофазных пород обусловлены свойствами фаз (табл. 6). В пористых породах наряду с уменьшением модуля Юнга уменьшается и скорость упругих волн (рис. 22).
Так, для доломитов установлена корреляционная
зависимость
vp=5430 – 107P, м/сек
| Рисунок Зависимость скорости продольных упругих волн от пористости (известняк) | где Р — пористость, %. |
В слоистых породах скорость упругих волн вдоль и поперек слоев различна, причем всегда v, > v±.
|
|
|
Если порода состоит из слоев двух типов, то скорость упругих волн перпендикулярно слоям в простейшем случае при их равных удельных волновых сопротивлениях может быть вычислена по суммарному времени прохождения волн через все слои
где l1 и l2 — относительные толщины слоев со скоростью звука соответственно vT и v2.
Скорость звука вдоль слоев при тех же условиях
где S1 и S 2 — площадь слоев в поперечном сечении.
В табл. 7 приведены коэффициенты анизотропии некоторых осадочных пород.
На скорость звука влияют также размеры зерен, слагающих породу. Как правило, скорость упругих колебаний в тонкозернистых породах больше, чем в крупнозернистых.
Значение скорости упругих колебаний в породах определяет такие их параметры, как удельное волновое сопротивление Z, коэффициент поглощения Ф, коэффициенты отражения Кэ и преломления п (с увеличением v возрастают Z ж Кэ, уменьшается Ф и абсолютное значение п). Поэтому, например, поглощение упругих волн вдоль слоистости всегда меньше, чем поперек, а с увеличением пористости и размера зерен пород происходит увеличение Ь. Поглощение различных типов волн тоже неодинаково (см. приложение 11).
Рис. 23. Относительное изменение скорости продольных волн при всесторонних давлениях: 1 — песчаник; 2 — сиенит; 3 — доломит; 4 — метаморфический сланец; 5 — базальт; 6 — габбро.
Рыхлые породы практически не оказывают сопротивления сдвиговым усилиям, величина которых определяется внутренним трением, поэтому в них, так же как и в жидкостях, могут распространяться в основном продольные волны. Чем больше нарушенность массива пород (трещиноватость и т. д.), т. е. чем больше он приближается к рыхлому состоянию, тем меньше скорость поперечных волн и тем больше их поглощение.
|
|
|
Увлажнение пористых пород приводит к изменению скоростей упругих волн в них. Если при этом не происходит размягчения, то скорость звука в пористой породе группы по строению 2.п упрощенно можно вычислить через суммарное время прохождения упругой волны поочередно по минеральному скелету £„ и по порам tn:
где vn и vK — скорости упругих волн соответственно в заполняющем поры веществе и в минеральном скелете породы.
Чем больше скорость звука в заполнителях порового пространства, тем больше суммарная скорость в образце породы. Ввиду того что скорость звука в воде иж почти в пять раз больше, чем в воздухе vB, насыщение скальных пород водой приводит к относительному увеличению скорости продольных волн. Однако даже у максимально насыщенных водой пород скорость волн будет ниже скорости в малопористых породах, так как иж меньше скорости звука в минеральном скелете.
Поперечные волны могут проходить только через минеральный скелет. Следовательно, v$ остается примерно постоянным для пористых пород любой степени увлажнения.
С увеличением давления на породу (особенно всестороннего) снижается ее анизотропность, возрастают упругие параметры и наблюдается увеличение скорости распространения упругих волн. Одни и те же породы, залегающие на разных глубинах и подверженные различному давлению, будут характеризоваться разной скоростью прохождения упругих волн.
Зависимость скорости звука от уплотнения более резко проявляется у пористых и рыхлых пород (рис. 23) (группы пород по строению 2.1 и 3.1),так как давление на них оказывает относительно большее уплотняющее действие. Так, у песчанистого мергеля с исходной пористостью 25% скорость продольных волн при всестороннем давлении до 1000 кгс/см2 увеличивается на 50—60%, в то время как у менее пористых она увеличивается всего на 10— 20% (с повышением давления до 4000 ат vP для габбро возрастает на 5—7%, для гранита — на 10—20%).
Подобные закономерности наблюдаются и при прохождении поперечных волн, но увеличение их скорости с повышением давления происходит медленнее и до определенного предела
При дальнейшем увеличении давления отношение — остается примерно постоянным.
Соответственно изменению скоростей упругих волн с увеличением давления изменяются другие акустические параметры: коэффициент поглощения уменьшается (для пористых пород на 15—35%), а удельное волновое сопротивление возрастает.
С повышением температуры скорость упругих волн изменяется аналогично изменению упругих параметров пород. При этом в большинстве случаев скорость продольных волн уменьшается, а коэффициент поглощения увеличивается.
С понижением температуры влажных пород наблюдается скачкообразное возрастание скорости звука при переходе в область отрицательных температур, соответствующую замерзанию воды (рис.), так как скорость звука во льду составляет около 3300 м/сек, что в два с лишним раза больше, чем в воде. Кроме того, в мерзлых породах происходит резкое увеличение скоростей поперечных волн.
Рис. 24. Скорость ультразвука в мерзлых породах:
1 — песчаник; 2 — песок; 3 — глина
