Учебное пособие (курс лекций)


НазваниеУчебное пособие (курс лекций)
страница10/12
Дата публикации03.05.2013
Размер1.35 Mb.
ТипУчебное пособие
userdocs.ru > География > Учебное пособие
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

^ 4.2 Сейсмоакустические свойства химических элементов и минералов

Зависимость между скоростью продольных волн и атомным строением элементов приведена на рис. 1.1. Как видно, скорость увеличивается в первой половине и уменьшается во второй половине каждого периода. Максимальные значения скорости в каждом периоде уменьшаются от 2 к 6 периоду, тогда как максимальная плотность элементов и их атомная масса в этом направлении растут.

Скорость продольных волн в минералах изменяется от 2 000 до 18 000 м/с, поперечных – от 1 100 до 10 000 м/с. Низкие скорости характерны для самородных металлов, высокие – для алюмосиликатных и безжелезистых минералов; наибольшая скорость упругих волн установлена в алмазе.

Для большинства минералов установлены два типа связи скорости распространения упругих колебаний от плотности.

К первому типу относится большинство твердых элементов (Na, Ca, Si), а также породообразующих, силикатных и частично окисленных минералов с плотностью 0,54,5 г/см3 и скоростью продольных волн 1 00018 000 м/с (табл. 4.1).
Таблица 4.1 – Зависимость скорости продольных колебаний от плотности

Минерал

, г/см3

vp, м/с

Галит

2,16

4450

Микроклин

2,56

3700

Кварц

2,65

6000

Кальцит

2,72

6600

Доломит

2,86

7000

Роговая обманка

3,00

7200

Оливин

3,04

8400



Для второго типа образований характерно уменьшение скорости упругих волн с ростом их плотности (табл. .4.2).

Таблица 4.2 – Зависимость скорости продольных колебаний от плотности

Минерал

Au

Ag

Fe

Fe2O3

, г/см3

19,5

10,5

8,2

5,1

vp, м/с

2000

2500

4100

7000


^ 4.3 Скорость упругих волн и упругие модули осадочных пород

Осадочные горный породы характеризуются диапазоном изменения скорости распространения волн от 0,38 км/с в глинах и сухих суглинках, залегающих вблизи поверхности земли, до 6,5 км/с в известняках (глубина около 1 км).

Скорость в однородных по составу породах повышается с глубиной из-за роста давления, действие которого приводит к уменьшению пористости и увеличению упругости их твердого скелета

Зависимость скорости от глубины выражается формулами:

,

;

(4.12)

или экспоненциальной зависимостью

,

(4.13)

где k коэффициент;

  величина, связанная с вертикальным градиентом скорости dv/dZ:



(4.14)

Численные значения коэффициентов в формулах определяются по данным акустического и ультразвукового каротажа скважин.

До глубины 5 км, которой соответствует увеличение давления примерно до 130 МПа, характерно быстрое разрастание скоростей распространения волн как в осадочных, так и в изверженных породах, но в осадочных она увеличивается быстрее, чем в изверженных. По-видимому, горная порода при относительно малых давлениях (до 10 МПа) имеет свойства упругой среды благодаря уменьшению пористости и закрытию трещин. При больших давлениях модуль Юнга растет быстрее, чем плотность, скорость продолжает повышаться, но гораздо медленнее.

Поскольку с пористостью тесно связана величина удельного сопротивления, то между скоростью и удельным сопротивлением существуют эмпирические зависимости вида

,

(4.15)

где к – кажущееся удельное сопротивление;

а =1948;

=1/6.

Осадочные породы отличаются значительной анизотропией скоростей; для пород с глинистыми прослоями коэффициент анизотропии может достигать 1,21,3.
Таблица 4.3 – Скорость распространения продольных волн

в осадочных породах

Порода

Vp min-Vp max, км/с

Vs/Vp

Порода

Vp min-Vp max, км/с

Vs/Vp

Алевролит

0,84,0

0,50,6

Конгломерат

1,455,6

0,50,6

Ангидрит

1,56,0

0,50,6

Лёсс

0,30,6

0,30,6

Аргиллит

0,94,5

0,50,6

Мергель

1,34,5

0,40,5

Брекчия

1,455,6

0,50,6

Мел

1,74,2

0,40,5

Глина

0,33,0

0,070,6

Песок

0,31,5

0,10,3

Гравелит

1,75,4

0,50,6

Песчаник

0,84,5

0,40,6

Гипс

1,54,6

0,50,6

Каменная соль

4,55,5

0,50,6

Доломит

0,96,3

0,50,6

Суглинок

0,81,8

0,50,6

Известняк

1,05,5

0,50,6











Экспериментальные работы показали, что на скорость распространения волн в осадочных породах больше влияют изменения пористости, плотности и состав заполнения порового пространства, чем состав минерального скелета.
^ 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) vp=6,245,7 км/с, а vs=4,113,07 км/с. Биотит отличается низкими для этой группы породообразующих минералов скоростями: vp=5,13 км/с, vs=2,98 км/с.

В породообразующих минералах основных пород (роговая обманка, пироксен) vp=7,01–7,8 км/с, vs=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 vs 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 vs 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.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

Похожие:

Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие Курс лекций Для студентов высших учебных заведений...
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, но может быть полезно и тем, кто самостоятельно изучает экономическую теорию
Учебное пособие (курс лекций) iconЛитература: Философия: Курс лекций: учебное пособие для студентов./...
Философия: Курс лекций: учебное пособие для студентов./ Под общей ред. В. Л. Калашникова. М. 1999. с. 6 – 17
Учебное пособие (курс лекций) iconКурс лекций для иностранных студентов харьков
К 78 Политология: курс лекций для иностранных студентов. Учебное пособие. – Харьков: хнму, 2012. – 154 с
Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие по дисциплине «Экономика»
В. В. Янова. — 4-е изд., стереотип. — М: Издательство «Эк­замен», 2008. — 382, [2] с. (Серия «Курс лекций»)
Учебное пособие (курс лекций) iconУчебное пособие 032700 «Филология»
История зарубежной литературы Средних веков и эпохи Возрождения. Конспекты лекций: Учебное пособие / Авт сост. Я. В. Погребная. –...
Учебное пособие (курс лекций) iconКраткий курс менеджмент а. Большаков учебное пособие санкт-Петербург...
Б79 Менеджмент / Учебное пособие. — Спб.: «Издательство "Питер"», 2000. — 160 с.: ил. — (Серия «Краткий курс»)
Учебное пособие (курс лекций) iconКонспект лекций по дисциплине: «методика преподавания театральных дисциплин»
Учебное пособие предназначено для студентов Театрального отделения локкиИ. Это учебное пособие представляет собой очень очень краткое...
Учебное пособие (курс лекций) iconМареев С. Н., Мареева Е. В. История философии (общий курс): Учебное пособие
История философии (общий курс): Учебное пособие. — М.: Академический Проект, 2004. — 880 с. — («Gaudeamus»)
Учебное пособие (курс лекций) iconКраткий курс лекций по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии...
Рудаков Н. В. Краткий курс лекций по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии. Часть Частная микробиология и вирусология:...
Учебное пособие (курс лекций) iconКурс лекций по древней философии
Фрагменты публикуются по источнику: Чанышев А. Н. Курс лекций по древней философии: Учеб пособие для филос фак и отделений ун-тов....
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница