4.4 Скорость упругих волн и упругие модули магматических и метаморфических породы

Скорости распространения волн в главных породообразующих минералах кислых пород характеризуются довольно высокими значениями. Например, в микроклине, ортоклазе, кварце и пла­гиоклазах (альбите и олигоклазе) v_p=6,245,7 км/с, а v_s=4,113,07 км/с. Биотит отличается низкими для этой группы породообразующих минералов скоростями: v_p=5,13 км/с, v_s=2,98 км/с.

В породообразующих минералах основных пород (роговая обманка, пироксен) v_p=7,01–7,8 км/с, v_s=3,99–4,39 км/с. Большое влияние на величину скорости оказывает свойство минералов кристаллизоваться в различных формах и изменять кристаллическое строение под воздействием термодинамических условий: породы с более компактными кристаллическими структурами характеризуются более высокой скоростью волн и плотностью.

Скоростные характеристики минералов метаморфических пород изучены слабо.

Магматические и метаморфические породы имеют небольшую пористость, но она достаточно сильно сказывается на скорости. Скорости продольных волн в перидотите (6,0–7,3 км/с), диорите и граните (3,9–5,3 км/с) в значительной степени зависят от коэффициента водонасыщения образца.

В водонасыщенных магматических и метаморфических породах скорости волн более высокие, чем в газонасыщенных. Породы кислого состава характеризуются наибольшими изменениями скорости (0,5–2,0 км/с), породы основного и ультраосновного состава – наименьшими изменениями скорости (0,1–1,0 км/с) вследствие вытеснения газа из порового пространства и замещения его водой. Особенно большое значение имеют трещиноватость и раздробленность пород, приводящие к резкому уменьшению скорости.

Исследование коэффициента анизотропии показало, что для гранитов с гнейсовидной структурой скорости распространения волн вдоль напластования и перпендикулярно к нему различаются почти на 1 км/с, в то время как у гранитов с массивной структурой – от 0,05 до 0,6 км/с.

Скорости распространения волн в магматических породах за­висят в значительной степени от основности пород, увеличиваясь вместе с ней. В гранитах v =5,1–6,0 км/с, в диоритах 5,3–6,5 км/с, в габбро 6,1–7,4 км/с, в неизмененных гипербазитах 7,8–8,7 км/с. Для метаморфических пород характерна зависимость скорости волн от степени метаморфизма.

Магматическим и метаморфическим породам свойственна сильная корреляционная зависимость скорости от плотности. При плотности от 2,5 до 3,0 г/см³, характерной для большей части кристаллических пород, скорость почти линейно зависит от плотности, увеличиваясь на 0,25 км/с с повышением плотности на 0,1 г/см³.

В ультраосновных породах скорость, так же как магнитная восприимчивость и плотность, зависит от характера и степени их изменения и колеблется от 3,9 до 8,1 км/с.

4.5 Методы определения упругих параметров

Упругие модули горных пород измеряются двумя методами: статическим (изотермические модули) и динамическим (адиабатические модули).

Статический метод применяется для определения: модуля Юнга при одноосном сжатии, растяжении и изгибе стержня из породы; модуля сдвига при кручении образца; коэффициента Пуассона при измерении продольных и поперечных деформаций при одноосном сжатии; модуля объемного сжатия при сжатии образца всесторонним давлением. Во всех случаях измерение упругих параметров сводится к непосредственному измерению деформации сжимаемых образцов тензометрами различной конструкции.

При геофизических исследованиях наиболее широко применяют динамический метод. С помощью динамического метода измеряют различные виды упругих волн в веществе и их затухание. Различают: динамический резонансный способ, где используются стоячие волны, возбуждаемые внешним источником на основной частоте или последующими гармониками; способ вращающейся пластины на пути непрерывной упругой волны; способ последовательных ультразвуковых импульсов.

Скорость упругих продольных волн определяют по первому вступлению импульсной ультразвуковой волны при прозвучивании образца с торцов с помощью аксиально-поляризованных датчиков; по первому вступлению и последующим фазам этой же волны при профилировании по разным поверхностям образца; по резонансной частоте колебаний образца.

При структурном анализе горных пород и минералов используют лазерный способ возбуждения упругих импульсов. Световой импульс высокой интенсивности при воздействии на поверхность исследуемого объекта поглощается, что способствует быстрому испарению поверхностного слоя вещества породы и разлету продуктов испа­рения. Это приводит к формированию импульса отдачи, который и возбуждает в среде упругую волну. Данный процесс экви­валентен микровзрыву с давлением в очаге порядка 10³10⁴ МПа.

Скорость упругих поперечных волн опреде­ляют по первому вступлению импульсной ультразвуковой волны при прозвучивании образца с торцов пьезоэлементами сдвигового типа; по вступлениям поперечных волн при профилиро­вании пьезоэлементами поршневого типа; по резонансной частоте колебаний образца при обмене волн под критическим углом (с помощью акустических призм); по результатам измерений скорости продольных волн при изменении размеров образца или частот продольных волн; ди­намическим импульсным способом с использованием обменных волн в цилиндрических образцах. Скорость v_s можно измерять также с помощью аксиально-поляризованных датчиков на различных критических углах. Сюда относится иммерсионный способ, основанный на различных критических углах полного внутреннего отражения продольных и поперечных волн.

Датчики с биморфным пьезоэлементом и датчики, основанные на использовании изгибных колебаний тонкой пластины под действием сил, перпендикулярно направленных к ее плоскости, позволяют наблюдать поперечные волны в исследуемой среде в чистом виде. Используется также схема измерения v_s с помощью пьезоэлементов датчиков, работающих на принципе колебаний пластины под действием нормально направленной к ее поверхности силы.

Все перечисленные способы динамического метода изучения распространения упругих волн применимы и для измерения коэффициента поглощения. Наиболее точные значения поглощения продольных волн в породах, изготовленных в виде небольших тонких стержней, дает резонансный способ. В способе вынужденных колебаний тонких стержней определяется потеря упругой энергии за период колебания. Импульсный ультразвуковой способ применяется в нескольких вариантах.

В последние годы используется весьма перспективный частотный анализ упругих волн. Параметры акустической эмиссии регистрируются с помощью пьезоэлектрических датчиков и записывающих во времени систем (магнитофон, шлейфовые осциллографы, пятилучевые осциллографы и т. п.). Для определения упругих свойств горных пород применяют импульсную переносную аппаратуру (ИПА).

Для проведения работ, требующих повышенной точности регистрации времени прохождения импульса через образец горной породы, используют специальную установку, состоящую из трех приборов: ИПА, генератора задержанных импульсов Г8-4Б и осциллографа С-1-8.

Ультразвуковые импульсные дефектоскопы ДУК-20, УКБ-1М предназначены для измерения времени распространения упругих ультразвуковых колебаний и за­тухания их в различных материалах. Эти приборы позволяют определять скорость распространения продольных и поперечных ультразвуковых колебаний в различных материалах способом сравнения с эталонами.