Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Акустополярископия горных пород

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Акустополярископия горных пород"

$ *5 1 3 1

Комитет по геологии и использованию недр при Правительстве Российской Федерации

Всесоюзный научно-исследовательский институт разведочной геофизики

На правах рукописи

ГОРБАЦЕВИЧ Феликс Феликсович УДК 534.27+550:834

АКУСТОПОЛЯРИСКОПИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (МЕТОД И РЕЗУЛЬТАТЫ)

04.00.12. Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Геологическом институте Кольского научного центра им.С.М.Кирова Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Ю.М.Карташов (ВНИШ)

доктор геолого-минералогических наук М.Ш.Магид (ВСЕГЕИ)

доктор физико-математических наук П.В.Крауклис (ЛОМИ им.Стеклова)

Ведущая организация - Научно-производственное объединение "Недра" (г.Ярославль)

Защита состоится 9 декабря 1992 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 071.19.01 при Всесоюзном научно-исследовательском Институте Разведочной Геофизики Комитета по геологии и использованию недр при Правительстве Российской Федерации

Адрес: 193019, Санкт-Петербург, ул.Фаянсовая, 20

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института ШРГ -"рудгеофиэика"

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат геолого-минералогических наук

А.В.Поляков

| 1тдгл I

Общая характеристика работы.

Актуальность. Физическая анизотропия как форма самоорганизации терии играет очень большую роль в природе. Наиболее полно ее знание и особенности проявились при изучении минералов. Для этой це-с начала ХЕК века используется микроскоп. После введения в мик-скоп в 1828 г. Уильямом Николем поляризаторов оптические методы няли ваннейшее место при изучении минералов. Изучение анизотропии ругих свойств твердых сред еще более важно, так как с этими свой-вами связано поведение под нагрузкой большого числа разнообразных 'ементов конструкций, природных объектов и материалов. Теория уп-гой анизотропии сред основательно разработана в трудах А.Лява, Фойгта, Дж.Ная, С.Г.Лехницкого, Г.И.Петрашеня, С.И.Рытова, Ю.В. :зниченко, Ф. И. Федорова и др.

Потребность в разработке экспериментальных методов изучения ругой анизотропии горных пород очень значительна - без них не ает быть адекватно осуществлена интерпретация данных геофизичес-:й разведки, сейсмики и сейсмологии. Для составления обзора всех лов' симметрии горных пород, их классификации и выявления связи текстурно-структурными особенностями необходим лабораторный метод, алогичный оптическому поляризационному, применяемо«? для изуче-я минералов, однако пригодный и для непрозрачных сред. Метод дол-н быть производительным и, соответственно, основан на регистра-:и параметров распространения упругих волн в анизотропных средах. >и этом следует использовать теории и накопленный опыт наблюдений оховдения колебаний в анизотропных средах. ¡Рачительный прогресс этом направлении обеспечен работами Л.Вегыана, Э. дьелесана, Г.Ко-ского, С.Кремпина, У.Мэзона, Д.Руайе, Е.Скучика, Д.Томсена, Дя.Э. йта, Л.М.Бреховских, Е.И.Гальперина, К.К.Ермилина, Б.М. Каштана, В.Крауклиса, А.Л.Левшина, В.Е.Лямова, Ф.М.Ляховицкого, Л. А. Молота: о, М.В.Невского, В. Прохорова, Н.Н.Пузырева, Е. М. Чеснокова к др. известных, как наиболее производительный и точный, пригоден дн-мический ультразвуковой метод, быстрое совершенствование котсро-стало возможным благодаря работам К.С.Александрова, Б.П.Белико-, И.Н.Ермолова, Г.Т.Продайводы, Т.В.Рыковой, О.И. Силаевой, С.Я. колова, О.Г.Шэмкной, В.Л.Шкуратника, Д.С.Шрайбера, В.С.Ямщикова других. Использованию поведения поляризованного ультразвука в :оаных* средах посвящено также много работ. Например, методы опре-ления внутренней упругой анизотропии и возникавшей при прилсже-и напряжений описаны в работах Р.Лукаса, А.Бура, Р.Симконса,

Р,Т.Смита, В.Фойгта, Г.А.Буденкова, А.Н.Гузя, Ф.В.Махорта, Е.Г.Ни-кийоренко и др. С применением динамических методов накошен большой фактический материал о распространении упругих волн & трещиноватых, неоднородных гетерогенных средах. (Х.Ф.Беннет, А. Г.Бугаевс-кий, М.П.Воларович, Н.Е.Галдин, Н.Б.Дортман,' А,М.Епинатьева, Е.В. Кару с, В. Л. Кор чин, Ю. И. Кузнецов, В.С.Куксенко, Т.С.Лебедев, Г. И. Петкевич, А.И.Савич, В.И.Старостин, Г.А.Соболев, С.Е.Тильман, Гк.Б. Уолш, А.К.Урупов). Однако разработанные и использованные перечисленными авторами методы не обладают необходимой общностью их применения, например, они не годятся для всех типов анизотропных сред. В отношении горных пород до сих пор не вполне ясно, - преимущественно какой сингонией и типами симметрии они описываются, какие типы связаны с тем или иным генезисом, процессами вторичных преобразований, изменениями под воздействием палео- и современных напряжений и др.

В диссертационной работе изложены научно обоснованные Физические и технические решения, заключающиеся в разработке комплекса принципиально новых, более совершенных методов и средств исследования упругих свойств горных пород с целью получения полных и достоверных исходных данных для оценки некоторых параметров истории геологических объектов, интерпретации результатов геофизических работ, решения задач горной геомеханжи. Внедрение результатов исследований вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, связанное с использованием нового метода -акустополярископик и прибора акустополярископа с целью экспериментального изучения свойств твердых сред.

Цель и задачи работы.

Анализ современного состояния представлений о закономерностях распространения упругих волн в неоднородных гетерогенных поглощающих твердых средах, систематизированные результаты экспериментальных наблвдений их упругой анизотропии, обзор существующих проблем на пути количественного определения параметров упругой анизотропии ка образцах горных пород, позволили сйорадлировать следующие ее цель и задачи.

Общей целью работы является разработка теоретических и экспериментальных основ нового научного направления - акустополярпс-копии существенно неоднородных, гетерогенных, анизотропных сред (горных пород).

В процессе достижения цели поставлены и решены следующие за-

ачи:

1. Исследованы особенности распространения упругих колебаний анизотропных средах, в том числе и при наличии эффекта линейной

низотропии поглощения.

2. Разработаны теоретические и обоснованы.:- физические основы етода акустополяризациокных наблюдений, многостадийная послецова-ельностъ определения параметров анизотропии и констант упругости, ¿агностики сред кубической, псевдогексагональной, тетрагональной ромбической симметрии.

3. Созданы принципиально новые приборы для проведения измере-лй на всех стадиях акустополяризационных наблюдений.

4. Изучены особенности упругой анизотропии сравнительно слабо змененных вулканогенных пород.

5. Изучены особенности упругой анизотропии древних, сильноме-шорд^зованных 'пород.

6. Оценены связи мекду типом симметрии, степеныэ анизотропии устойчивости пород в напряженном массиве.

■ Научные положения, выносимые на защиту.

1. Акустополярископия является именно тем методом, который зобходим и достаточен для определения числа и пространственной шравленности элементов симметрии, параметров эффекта линейной ¡изотропии поглощения, всех констант упругости и типа симметрии (изотропных сред.

2. Зффект линейной анизотропии поглощения (э№)ект акустичес->го дихроизма) проявляется в средах, содержащих ориентированные шейные или плоскостные структурные элементы и их комбинации.

!д структурных элементов может быть выявлен на основе объемных . измерений.

3. С использованием преобразования пучков продольных волн в шеречные на плоской границе раздела двух акустически различаются сред с углом падения больше критического для проходящей про-1Льной волны, могут быть получены эффективные преобразователи [сто поперечных линейнбйоляризованных колебаний.

4. Устройство, содержащее излучатель и приемник чисто попетых линейно-поляризованных колебаний, держатель образна я прис-юобление для его поворота (акустополярископ) пригодно для опре-¡лений направленности проекций элементов симметрии, параметров йекта линейной анизотропии -поглощения упруго анизотропной среды.

5. Большая доля анизотропных пород зеленосланцевой, амйиболи-товой йации метаморфизма имеет ромбическую симметрию, меньшая -псевдогексагональную (поперечно-изотропную). Чем выше возраст пород,чем выше фация метаморфизма тем, как правило, больший относительный объем сильноанизотропных пород, проявляющих высокую степен эффекта линейной анизотропии поглощения включает данный массив. Эффект линейной анизотропии поглощения (эфтект акустического дихроизма) проявляется на ультразвуковых частотах более чем в половине разновидностей 1фисталлических горных пород..

6. При разгрузке от геостатических напряжений поликристаллических горных пород, находящихся на глубине от единиц до десятков километров, путем, например, выбуривания и извлечения на земну: поверхность, происходит их частичная или полная дезинтеграция (разрушение). Она в большей мере обусловлена упругой анизотропией, основанной на разнице коэффициентов упругости минеральных зерен по их контактам.

7. Зоны потери устойчивости, кавернообразования в стволах глубоких и сверхглубоких сквакин связаны, как правило, не с неоднородностью, поля напряжений, а с существенной анизотропией упругих свойств пород.

Научная значимость и новизна.

1. Создан акустополяризационннй метод исследования анизотропных сред, включающий определение числа, вида и направленности элементов симметрии, наличия и измерение параметров эффекта линейной анизотропии поглощения, всех элементов матрицы величин скорости распространения продольных и поперечных волн, расчета констант упругости, показателей, позволяющих определить тип симметрии, оценить степень упругой анизотропии, который является новым научным направлением, имекщим строго очерченные задачи и законченность.

2. Созданы теоретические и обоснованы физические основы метода акустополярископии, математическая модель прохождения упругих колебаний через псевдогексагональную среду, в том числе и при наличии эффекта линейной анизотропии поглощения.

3. Изучены и установлены наилучшие условия преобразования продольных волн в поперечные на свободной границе полупространства и на плоской границе раздела двух сред для цели создания преобразователей чисто поперечных, линейно-поляризованных колебаний, а также комбинированных преобразователей.

4. Создан принципиально новый прибор - акустополярископ, не

имеющий аналогов в России и за рубежом, позволяющий исследовать параметры упругой анизотропии горных пород, металлов, пластмасс, керамики, композиционных материалов и др.

5. Впервые обнаружено широкое распространение, преимущественно в метаморфических горных породах, эффекта линейной анизотропии поглощения (акустического дихроизма). Выявлены две его основные модели,- плоскостная и линейная.

6. Предложен, на примере исследования пород Воче-ламбинского архейского геодинамического полигона, способ определения параметров направленности и относительной величины компонент поля палео-напряжений. Данный способ может частично заменить очень трудоемкий метод динамического анализа микроструктурных ориентировок.

7. Впервые получены и изучены полные характеристики упругой анизотропии кристаллических пород инфраструктуры Воче-ламбинского архейского геодинамического полигона, глубинных пород Кольской (до 12 км) и Уральской (до 4 км) сверхглубоких сквакин.

8. Установлено, что механизм дезинтеграции глубинных поликристаллических пород при извлечении их на земную поверхность, в основном, состоит в разрушении меж- и внутрезеренных контактов за счет анизотропии упругих свойств минеральных зерен и разгрузки от геостатических напряжений. •

Принципиально новые приборы защищены авторскими свидетельствами СССР.

Практическая значимость.

1. Обоснован, разработан и внедрен акусгоггаяризационный метод, как набор необходимых этапов и операций, включающих требования при подготовке образцов, наиболее рациональные приемы проведения акустополярископии, определения величин скорости распространения Р- и й-еолн, анализа типа симметрии.

2. Разработан (рассчитан, изготовлен, используется)ряд модификаций преобразователей чисто поперечных линейно-поляризованных колебаний.

3. Разработан (рассчитан, изготовлен, используется) ряд совмещенных и комбинированных преобразователей, излучащих и принимающих как Р-, так и Л-волны. Совмещенные преобразователи повышают производительность труда на~40%.

4. Разработан (изготовлен и используется) ряд акустополярис-копов'с подвижной рукоятью и поворотной платформой на разные типоразмеры образцов (10 - 100 мм).

5. Обоснован и разработан способ сейсмической разведки геологического объекта, позволяющий определять азимутальную направленность элементов упругой симметрии анизотропного массива.

В более общем плане практическая значимость работы состоит в использовании тензорных параметров упругой анизотропии, получаемых методом акустополярископии, при реконструкции условий метаморфической переработки для определения параметров палеонапряжений как элементов геодинаыических процессов. Обнаруженная устойчивая корреляция мевду степенью проявления анизотропии упругих свойств и вывалообразованием, кавернозностью стволов скважин может быть использована при прогнозировании устойчивости скважин, выработок и подземных сооружений, для обоснования мероприятий по их обсадке и креплению. Данные о типе симметрии среды, ее скоростных характеристиках, проявлении эффекта линейной анизотропии поглощения, позволяют скоррёктировать монтажи сейсмограмм, приблизить к фактическому положение отражающих горизонтов на трассах сейсмических работ, исключить ложные отражения, усовершенствовать сейсмический метод для анизотропных пород.

Достоверность результатов основана на более чем 10 ООО единичных измерений, в основном, упругих свойств пород. В отношении 104 из них получено более чем 3000 измеренных и производных параметров, в том числе принципиально новых.

Внедрение результатов исследований и разработок.

Методика акустополяризационных измерений, ее элементы, отдельные приборы и комплексы, разработанные автором,- используются в Горном и Геологическом институтах Кольского научного центра РАН России, г.Апатиты; Кольской комплексной экспедиции сверхглубокого бурения, г.Заполярный ; Институте геофизики АН Украины, г.Киев; Таджикском научно-исследовательском отделе энергетики ЭНЕРГОСЕТЬ-ПРОЕКТА, г.^шанбе ; Институте геологии и геохимии горных ископаемых АН Украины, г.Львов ; Кафедре полезных ископаемых, Кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды, Кафедре исторической геологии МГУ им.М.В.Ломоносова, г.Москва ; Центральной лаборатории ПГО "Центрказгеология", г.Караганда ; Тематической партии 23/87 треста "Груэнефтегеофизика", г.Тбилиси ; Институте КАМНИКИГС НПО "Недра",; г.Ярославль ¡Всесоюзном научно-исследовательском институте ядерной геофизики, г.Москва ; Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии, г.Москва; Опытно-методической геофизической экспедиции Института геофизики

Ш Грузии, г.Тбилиси ; Институте физики и механики горных пород Ш Киргизии, г.Бишкек ; Институте ПечорШШНефть, г.Ухта ; Воронежской геолого-геофизической экспедиции, г.Воронеж, и других органи-»ациях..

Апробация работы. ,

Основные результаты работы и ее основные положения докладывались на УШ Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР (Москва, [984), XIX Всесоюзной конференции по метеоритике и космохимии [п.Черноголовка, 1984), Всесоюзном рабочем совещании "Методика исследования сейсмической анизотропии литосферы Земли" (г.Ялта, 1984), сонференции "Применение геофизических методов для изучения скаль-шх оснований" (г.Солнечногорск, 1985), Ш семинаре по горной гео-зизике (г.Батуми, 198Б), П международном рабочем совещании по ¡ейсмической анизотропии (Москва, 1986), 1У Всесоюзном семинаре го горной геофизике (г.Боржоми, 1987), Международном семинаре 'Сверхглубокое континентальное бурение и глубинные геофизические [сследования" (Ярославль, 1988), У семинаре по горной геофизике г.Телави, 1989), Х1-м Всесоюзном семинаре по изучению напряжений I массиве горных пород (май 1990), XI Всесоюзной акустической конвенции (Москва, 1991), Презентации Кольской сверхглубокой сква-ины (г.Заполярный, 1991) и других.

Отдельные приборы, их комплексы, демонстрировались на темати-[еских выставках "Научные достижения ученых Кольского полуострова"-ВДНХ СССР, 1981), "Акустика - человеку" (ВДНХ СССР, 1983), Межцу-[ародной выставке к семинару "Сверхглубокое континентальное буре-ие и глубинные геофизические исследования (Ярославль, 1988), Международной выставке "Наука-88" (ВДНХ СССР, 1988), тематической «ставке "Акустика - человеку" при XI ВАК (Москва, 1991) и др.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, десяти глав, заключения, осьми приложений. Общий объем работы 342 с. текста, 93 рис., 6 абл., список литературы из 153 названий.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 7 зобретений, 4 методических рекомендации, 3 монографии.

Автор искренне благодарен Н.Н.Абрамову, В.В.ГУдину, Л.В.Да-вдовой, Р.В.Медведеву, Ф.Г.Меденкову, Э.В.Каспарьяну, А.А.Козы-

реву, А.В.Ловчикову, В.И.Панину, В.В.Тимофееву (Горный институт КНЦ РАН), В.В.Балаганскому, Г.И.Иванову, Н.Г.Ивановой, С.Б.Имапе-вой, И.А.Паниной, С.И.Губинрауту, Ф.Й.Свияженинову, Т.А.Соколовой, Н.Н.Тесовской, В.Н.Шарову, Ю.Н.Яковлеву (Геологический институт КНЦ РАН), а также В.И.Альшцу, В.Н.Бакулину, Б.А.Граниту, Д.11.Губе рма ну, В.П.ГУсеву, А.В.Жарикову, А.Н.Казакову, В.Н.Кожевникову, И.В.Колодиной, П.В.Крауклису, Ю.И.^знецову, В.С.Ланеву, А.Б.Лебедеву, Ф.М.Ляховицкому, П.М.Манджгаладзе, Г.А.Маркову, Т.В.Муса-киной, Н.И.Немзорову, З.В.Нечмир, Л.Л.Панасьян, Г.И.Петкевичу, Г.И.Петрашеню, Г.Т.Продайводе, Ю.П.Смирнову, Г.А.Соболеву, В.И. Старостину, Л.Томсену (США), Б.М.Усаченко, Е.М.Чеснокову, Г .И. И1амрай, В.Л.Шкуратнику, А.А.Яланскому, В.С.Ямщикову, чл.-корр.РАН О.П.Митрофанову, академикам РАН В.А.Магницкому, В.И.Смирнову за поддержку, доброжелательное отношение, ценные советы и помощь при подготовке работы.

Содержание работы

Часть I. Методологические и теоретические исследования

Глава I посвящена вопросам распространения упругих волн в неоднородных, геотерогенных поглощающих твердых средах (горных породах) . Анализируется минеральная основа упругой анизотропии горных пород, зависящая, во-первых, от анизотропии самих минеральных зерен, их количественного соотношения в полиминеральном агрегате, степени разориентированности их элементов симметрии. Обзор общих результатов экспериментальных'наблюдений показывает, что для анализа упругой анизотропии неоднородных гетерогенных сред больший объем информации дает зондирование поперечными (сдвиговыми) волнами. Информативность наблюдений за процессом взаимодействия сдвиговых ( В ) колебаний с анизотропной средой примерно в 3 раза выше, чем продольных (Р). Определенные трудности однако представляет собой ввод 8 -колебаний с наперед заданными характеристиками в анизотропную неоднородную среду. Существующие приборы для наблюдений за процессом распространения 3 -колебаний при различных условиях взаимодействия параметров анизотропии и колебаний пока не совершенны и не позволяют получать надежные данные о числе й пространственной ориентации элементов упругой симметрии в средах средней и низкой сингонии. Из-за диффракционных и иных эффектов, трудно поддающихся расчетам,применение метода возбуждения колебаний в точке (лучевой метод) для малых объемов (образцов) не да-

1 долкного эффекта. В трудах Г.И.Петрашеня и др. показано, что >авнительно точно величины фазовой скорости в анизотропных средах гут измеряться при создании плоского (локально плоского) фронта |лны в образце.

В главе 2 изложены физические основы метода акустополяризаци-иых измерений. Особенности распространения 3-колебаний в ани-'тролных средах во многом подобны особенностям распространения ¡ета через прозрачные минералы. Соответственно и.акустополяриза-юнный метод, разработанный нами, подобен оптическому поляриза-юнному.

Акустополяризационные наблюдения при параллельных и при скверных векторах поляризации являются по сути методом амплитудного гммирования двух или более фаз поперечных колебаний. Метод подобно амплитудного симшрования применительно к способу определения итоженных напряжений был предложен Р.Лукасом и др., а также Р.Т. «итом. Позднее для той же цели и для определения в^тренней уп-ггой анизотропии материалов метод был использован Г.А.Буденковым др. Поворачиваемый относительно образца преобразователь и соот-гтствующую контактную среду (эпоксидную композицию) предложили .Н.Су и В.Захсе. В методе акустополярлскопии потребовалось сое-■шить отдельно опубликованные методические приемы и скомпоновать звестные элементы конструкций.

Осмысление получаемых экспериментальных результатов привело необходимости разработки теоретических основ метода акустополя-,1зационных наблюдений." Также как и при оптических измерениях, аблгадения осуществляются при параллельных и при скрещенных век-эрах поляризации излучателя и приемника сдвиговых колебаний. Как езультат наблюдений получают гкустополяриграммы - круговые диаг-аммы огибающих амплитуд прошедших среду зарегистрированных им-ульсов колебаний. Примеры теоретических акустополяриграмм лопе-ечно-изотропной среды, в том числе и при наличии эффекта линей-ой анизотропии поглощения (акустического дихроизма), приведены а рис Л. Такие основы разработаны пока лишь для простой модели оперечно-изотропной среды. Однако предложенные нами математичес-ие формулировки вполне удовлетворительно, как показала практи-а измерений, отражают процессы распространения поперечных коле-аний в более сложных средах, вплоть до сред орторомбической сим-:етрии. Хотя разработанная методика предназначена для определения :араметров сред не выше ромбической симметрии, пример акустопсля-играмм монокристалла кварца в направлении оси третьего порядка

2 X 7 аг

В / / у \ 0 ИТ -у-—\ А '

\\т

Д-0-25

Д=05

4 33 э Ю| Д-0.76

к 3 -

5 30' 0 ___^30

Я по

К С\ ) у х>|5

Рис.1. Примеры теоретических акустополяриграмн поперечно-изотропной среды без проявления (А) к с проявлением (В) эффекта линейной анизотропии поглощения (акустического дихроизма).

оказывает применимость получаемых экспериментальных результатов ля анализа сред, определения числа элементов упругой симметрии изших сингоний (триклинной, тригональной, моноклинной).

Глава 3. Такая же потребность объяснить данные наблюдений и уществующая аналогия в области оптических явлений привели к приятию двух основных моделей эффекта линейной анизотропии поглоце-ля (ЭЛАП),- плоскостной и линейной. Нами разработаны математичес-ле формулировки, учитывающие наличие и влияние эффекта линейной -изотропии поглощения и упругой анизотропии при распространении эперечных волн в поглощающих средах с ориентированным;! неодно-здностями.

Амплитуда огибающей колебаний импульсов, прошедших поперечно-зотропную среду в направлении, лежащем в плоскости симметрии при •фаллельных векторах поляризации источника и приемника колебаний ЗП) равна:

ж скрещенных (ВС) ;

ьсм = А„.Ауи 2p.-i.Ui_ (3/2.) ,

1е Аы ААд - амплитуда колебаний излучателя, коэффициент ьксимальной чувствительности приемника, коэффициент пропускания зи наличии ЭЛАП, соответственно ; ] , ^ , & - углы, соответствен>: между направлением при котором коэффициент Ад максимален и шравленностью вектора поляризации А излучателя; между плос->стьп симметрии и А; сдвига фазы между колебания!®, распростра-гощимися вдоль плоскости и оси симметрия.

По аналогии с приемами обработки измерений в оптике предло-¡н показатель Д, отражающий степень проявления ЭЛАП в средах,

Часть П. Разработка приборного комплекса.

В главе 4 изложены результаты поиска наиболее эффективных нструкций преобразователей линейно-поляризованных сдеигоеых ко-баний. Особых усилий потребовала разработка преобразователей, особных излучать и принимать чисто поперечные линейно-поляри-ванные колебания, выполненная совместно с В.Н.Еакулиным. Вна-ле были сформулированы требования к таким источника.'.! и приемкам колебаний. Затем, на основе законов отражения упругих кс-баний на границе полупространства рассчитаны наилучшие условия

преобразования продольных волн в поперечные и наоборот. Изготовлен и испытан преобразователь поперечных колебаний с использованием свободной границы полупространства, а затем совмещенный преобразователь продольно-поперечных колебаний. Выявленные недостатки этих конструкций заставили обратиться к анализу процессов отражения и прохождения упругих волн на плоской границе раздела двух сред. В результате численных расчетов, выполненных на основе уравнений отражения-прохождения, нами найдены наилучшие условия преобразования продольных волн в поперечные, как по амплитуде, так и по энергии. В соответствии с расчетами подобраны среды, составляющие звукопровод преобразователя, определен угол падения центрального луча на плоскую границу, СССР). I- торцевая часть, 2-контакт- разделяющие эти среды. Для ная часть'звукопровода; 3-пьезоплас- исключения доли продольных тина продольных УЗК," 4-корцус. Р,Б колебаний в излучаемом пуч--соответственно, лучи продольных и ке поперечных найдено ус-сдвиговых колебаний. ловие: угол падения на гра-

ницу раздела пучка продольных волн в первой среде должен быть больше критического угла для проходящего пучка продольных во второй среде. Звукопровод первой конструкции качественно работающего преобразователя состоит из свинца и алюминия.-Затем создан преобразователь с прямым распространением пучка лучей через преобразующие среды звукопровода (рис.2), обладающий меньшими габаритами. Попутно разработан еще более малогабаритный преобразователь, с разбиением ¡азделяющей плоскости на отдельные площадки, аналогично линзе Френеля-

Рис.2. Устройство преобразователя сдвиговых колебаний (а.с.785737,

Последовательный поиск конструкций совмещенных преобразователей, позволяющий получать чисто поперечные линейно-поляризованные колебания, а в ином режиме включения - продольные колебания, вначале привели к решению, при котором лучи поперечных колебаний проходят через пластину продольных. Однако недостатки данной конструкции побудили сделать комбинированный преобразователь продольных и поперечных колебаний с использованием границы раздела сред звукопровода. Эта схема стала основой преобразователей в совмещенном измерителе скорости распространения упругих колебаний, который повышает производительность определений примерно на 40?.

Из всех разработанных, наиболее сложной конструкцией обладает преобразователь для определения упругих постоянных анизотропных сред. Испытания подтвердили работоспособность конструкции, обеспечивающей сокращение времени и повышение производительности измерений упругих свойств в заведомо анизотропных средах.

Глава 5 посвящена разработке устройства акустополярископа для наблюдения изменений амплитуды колебаний, прошедших образец, регистрируемых при параллельных и при скрещенных векторах поляризации, которая прошла стадии использования транспортира для отсчета угла поворота"образца, конструирования акустополярископов с поворотной рукоятью, с поворотной платформой, вариант с одной стойкой, с поворотной платформой, укрепленной на трех стойках. Конструкция акустополярископа с поворотной рукоятью рассчитана на образцы больших размеров, - до 10 см. Акустополярископы с поворотной платформой (рис.3) обеспечивают более высокоточные измерения, в том числе на образцах размеров до I см. Гнезда преобразователей анустополярископа одного из последних конструкций крепятся на шарнирах Гука. Это позволяет снизить требования к непараллельности торцевых поверхностей образцов, снизить затраты на их изготовление.

В главе. 6 изложена последовательность измерений и определений, содержащая требования, которые следует выполнять при отборе и разделке проб и подготовке к проведению акустополярискогши. Для получения пространственно ориентированных элементов симметрии показана необходимость проведения измерений на кубических образцах в трех взаимо-перпендикулярных направлениях. Разработаны наиболее рациональные, с точки зрения экономии времени, затрат труда и получения наиболее полной информации, приемы проведения акустопо-лярископии и измерения величин скоростей распространения продоль-•ных и поперечных колебаний. Приведены примеры индексации образцов, акустополяриграмм, величин измеряемых скоростей. Если отбор образ-

Рпс.З. Конструкция акустополярископа с поворотной платформой (а.с. 1281993, СССР).

I - основание, 2 - стойка, 3 - кронштейн, 4 - подвижный шток, 5 - преобразователи, 6 - образец, 7 - поворотная платформа, 8 - дополнительный кронштейн, 9 - шкала углов, 10 -указатель.

дов будет выполнен с привязкой азимута и угла падения их ребер и граней, показана возможность определения в массиве пространственного положения элементов симметрии и других векторных параметров их анизотропии.

На основе предложенного совместно с Н.В.Шаровым способа сейсмической разведки геологического объекта (а.с. № 1434377) возможно определение пространственного положения элементов симметрии я других параметров упругой анизотропии непосредственно в массиве. Способ состоит в размещении на отдельных площадках групп приемников и излучателей вдоль радаальных линий, так, что каждой группе излучателей соответствует группа приемников, причем линия, вдоль которой размещены приеьмики, направлена перпендикулярно линии излучателей.

Глава 7. Результаты акустополяризационных измерений и величин скоростей являются исходными данными для определения типа сим-

наьрра

метрии и полногсгконстант упругости анизотропной среды. Поэтому нами,на основе работ Дж.Ная, С.И.Лалина, Ф.М.Ляховицкого, М.В.Невского, Г.Т.Продайводы, Л.Томсена, А.К.Урупова и других,рассмотрены признаки сред различной сингонии, с привлечением системы равенств и соотношений среди констант упругости предложены правила диагностики пород орторомбической (9 констант), части тетрагональной (классы 422 , 4т*л, 4/мжя\,42, поперечно-изотропной, кубической и изотропной симметрия. Излагаются правила выделения того или иного вида элемента симметрии в средах поперечно-изотропной и орторомбической симметрии, а также приведения матриц скорости Уц к нормализованному (каноническому) виду. Определены критерии для разграничения сред на слабо- и сильноанизотропные.

Часть Ш. Направления практического использования метода акустополярископии

Глава 8. Первая практическая' проверка метода акустополярископии, выполненная на породах инфраструктур Воче-Ламбинского полигона (ВЛП),- плагиогранитах, олигоклаз-микроклиновых гранитах, гранодиоритах, полевошпатовых амфиболитах показала, что в каждом образце, даже в слабоанизотропных образцах, четко выявляется пространственная направленность элементов симметрии. Более чем в половине образцов проявляется эффект линейной анизотропии, однако з сравнительно слабой форме (Д = 0.14-0.25). Наиболее сильно упругая анизотропия и эффект линейной анизотропии поглощения прояз-

ляется в полевошпатовых амфиболитах, в меньшей степени - в плагао-гранитах. На основедаализа соотношений величин скорости в матрицах У.} приняты коэффициенты анизотропии ^лзз» ^2233 для "Р0-дольных, Т^з» Т1223 для поперечных колебаний, а также количественный показатель дт , позволяющий отделить породы, упругие характеристики которых близки к поперечно-изотропному типу симметрии от пород, отвечающих орторомбическому гиду. Нами, на основе подобия обобщенного закона Гука, предложены подходы для определения параметров пространственной направленности и относительной величины палеонапряжений. Рассмотрены схемы ориентировки компонент поля сжимающих палеонапряжений, в одном случае приводящих при действии метаморфического процесса, к появлению породы с поперечно-изотропной симметрией, а в другом с орторомбической. На правомерность предложенных моделей указывает то, что среди пород ВШ1, как правило, в направлении, перпендикулярном сланцеватости скорость продольной волны наименьшая, а в направлении линейности - наибольшая. Так как отбор 21 образца пород ВЛП был выполнен с регистрацией азиата и угла падения элементов сланцеватости и линейности, указанный подход определения параметров палеонапряжений позволил вынести на план обнажения 145 полигона направления и относительные величины наибольшей компоненты сжимающих палеонапряжений.

Результаты изучения анизотропии архейских пород (амриболито-вая фация метаморфизма) инфраструктуры Воче-Ламбинского полигона в целом показывают, что на основании анализа количественных данных акустополяриграмм, величин скорости, констант упругости, коэффициентов и показателей анизотропии возможно разделение пород на слабо (14$) и сильноанизотропные (86$), а по типу симметрии - на породы поперечно-изотропной (38$) и орторомбической (6255) симметрии, табл.1. Среди констант упругости пород, как правило, имеет место неравенство Сдд, С^. При самой сильной

анизотропии (полевошпатовые амфиболиты) породы обладают поперечно-изотропной симметрией. По соотношению величин скоростей, анизотропия по поперечным волнам соответствует примерно 0.66 анизотропии по продольным. Обнаружены случаи наличия сильной упругой анизотропии при слабом проявлении внешних признаков направленных текстур. Имеются случаи явного несовпадения направленности элементов упругой симметрии и направления линейности, их несогласия с- плоскостью сланцеватости. Причины такого несогласия могут быть в дальнейшем выяснены методами микроструктурного анализа.

1в

Таблица I

Результаты экспериментальных определений параметров анизотропии пород разрезов сверхглубоких сквакан СГ-4, СГ-3, Воче-ламбинского полигона

' ..............I' гудельеш еь-'Шбче-Лй^ино-' ! !ваяина (СГ-4) !кий полигон ! ■ ! и. !(ВЛП) Кольская скважина (СГ-3)

, .Имен опекая . Возраст свита силурий-} Архей 1 ского возрасту Протерозой Архей

Величина коэффи- £ з 0.57 К=0.63 К« 0.56

циента связи меяду ^1233 яМбИЗЗ (А в 0.29 й = 0,66 Г^ = 0.31 «2 = 0.8

параметрами Всего 25 21 15 43

Число Изотропных 14(565?) - - -

пород Слаб оа ни зотр опных 7(28%) 3(14%) 3(20%) 3(7%)

Сильноанизотропных 4(16%) 18(66%) .12 (80%) 40(93%)

Псевдогексагональной симм. 10(40%) 8(38%) 5(33%) 5(12%)

Ромбической симм. 15(60%) 13(62%) 10(67%) 38(88%)

С показателем

Д > 0.1 14(56%) 16 (59%) 4(57%) 14(38%)

С показателем Д ь 0.5 - - 1(13%) 19(51%)

Глава 9. Вторая группа пород (25 обр.) отобрана для акусто-полярископии из керна Уральской сверхглубокой скважины (СГ-4). Сравнительно молодые, силурийского возраста, претерпевшие сравнительно мало изменений вулканогенные породы разреза скважины характеризуются зеленосланцевой фацией метаморфизма. Результаты измерений позволили разделить породы (андезито-базальты, базальты, туфы, туффиты) на сравнительно изотропные (56%), слабоанизотропные (28®, сильноанизотропные (16$), табл.1. Сильноанизотропные породы расположены« глубине Н = 2867 м и ниже. Оки имеют, как поавило, поперечно-изотропную симметрию. Расчет пространственного положения оси упругой симметрии группы сильноанизотропных пород, показал, что здесь ось располагается в направлении, близком к горизонтальному. Таким образои, можно полагать, что на глубинах 2867 м и ниже действовали значительные по величине горизонтально направленные тектонические напряжения. Среди слабоанизотропных пород преимущественным типом упругой симметрии является орторомбическая (60%), что указывает на примерно одинаковое воздействие геостатического и тектонического поля напряжений.

Характерно, что внешний вид и видимая текстура сильноанизот- • ропных пород не позволяет отличить их от изотропных и слабоанизотропных.

Как выявлено, изотропные (слабоанизотропные) породы СГ-4 обладают сравнительно низким коэффициентом Пуассона 3 = 0.16. Для вулканогенных пород такого типа при сейсмических работах этот показатель может служить диагностическим признаком. Анизотропия, выраженная соотношениями между величинами скорости распространения продольных волн, достаточно тесно связана с анизотропией по поперечным. Однако для пород СГ-4 анизотропия упругих свойств существен но сильнее выражена в разнице величин процольных, чем поперечных. Показатель эффекта линейной анизотропии поглощения принимает наибольшие значения в группе сильноанизотропных пород, однако в целом, наличие ЗЛАП характерно для более чем половины образцов (5бда). Высокий показатель Э1АП отмечен у пород с ориентированными минерализованными трещинами. По показателям упругой анизотропии и ЗЛАП в окрестности глубин 430, 886, 924, 1410, 2496, 3000 м выделяются контрастные зоны. Геологическая колонка указывает на прослои или контакты различных пород в пределах этих зон.

Значительный рост упругой анизотропии пород начинается с глубины Н = 2867 м, примерно на 60 м глубже начинается зона интенсивного кавернообразования. В пределах этой зоны поперечные размеры

важины становятся в 3 раза больше номинального ее диаметра. Межпоказателями €цЗЗ' "ÏI223 анизотРопии породы и величиной перечного размера Р скважины в зоне кавернообразования обнаруже-тесная связь. Обнаруженные взаимосвязи дают основу для разрабог-по результатам измерения параметров анизотропии пород оперативно-метода прогноза зон потери устойчивости скважин, а возможно и работок.

Глава 10. Третья, самая большая группа пород (155 обр.) отоб-га нами из керна Кольской сверглубокой скважины (СГ-3). Она пред-1влявт породы протерозойского и архейского возрастов, очень разводные по минералогическому составу: доломиты, филлиты, песчани-, амфибол-плагиоклазовые сланцы, амфиболиты, биотитовые гнейсы, 'матиты, апогаббро, апогаббровые порфирита. Акустополяриграммы готорых пород представлены на рис.4. Геологическая колонка и неко-)ые данные по разрезу СГ-3 приведены на рис. 5.

Акустополяризационные наблюдения показали среди всей группы ;ное отсутствие изотропных образцов, - на всех трех гранях прак-юски каждого образца выделяются проекции элементов симметрии, людения, как правило, указывают на влияние трех, встречающихся азличных сочетаниях и степени, факторов: упругой анизотропии, екта линейной анизотропии поглощения, неоднороцностей. Для акус-оляриграмм пород свойственны очертания, характерные сильноани-ропным породам преимущественно орторомбической симметрии. Имеют-акустополяриграммы, форма ВП которых резко отлична от таких же грамм пород ЫШ и СГ-4. Для них характерно проявление очень вы-эй степени ЭШШ по одной, трем, а чаще двум граням образца. Ана-показал, что при высокой степени проявления ЭЛАП наблюдаются эйная, плоскостная, либо смешанная модели. Распределение единич-значений Д и коэффициента двулучепреломления В, построенные для с пород СГ-3, показало, что эффекты линейной анизотропии погло-1я и упругой анизотропии проявляются независимо друг от друга. W пород СГ-3 эффект линейной анизотропии поглощения проявляет' 83%> пород, среди них у 5Е£. показатель Д>0.5, табл.1.

Шрецеления вида матриц VLj и соответствующих коэффициентов

'33' ^1122' ^1213' У1223' Лт" показало преобладание пород •ромбической симметрии как среди протерозойского (67fo), так и йского (88?) возраста. Среди тех же групп пород сильноанизо-ные составляют соответственно 80^ и 93%. Из 58 образцов, про-их полный набор определений, только 10 обладают поперечно-рапным типом симметрии. Причем 6 из них представляют сравни-

«г

2-2'

X"

Q

, rf Ю

Ч - i /пз /гг-х (,¡ i /ш

/| ( \

X \ V > \/0

I 1 \ \ 1 \10

/ 1 -1 /

3-3'

90

___/ i t \ !

( 7 r-V ю

/ ✓

Рис.4.

Акусгополяриграммы кубического образца монокристалла кварца, тригональная сингония.

Направление I—I' параллельно оси третьего порядка. Сплошная линия - векторы параллельны, пунктир - векторы скрещены.

Акустополяриграу.мы пород из керна СГ-3.

1а - гранит плагиоклазовый с амфиболом (обр.2499бш); 16 - зпидот-биотит-пла-гиоклазовый гнейс (обр.28184ш); 1с -биотит-плагиоклазовый гнейс (обр.-30020); Id- ставролит-андалузит-сил-лиманит-двуслюдяной гнейс (обр. 24256ш). 2а - амфиб ол-плаги оклаз овый сланец с биотитом (обр.19402ш); 2в -тальк-флогопит-тремолитовый сланец (обр.26715ш); 2с - згшдот-биотит-амфибол-плагиоклаз овый кристаллосланец (обр.27227ш); 2d- апогипербазитовый сланец (обр.35924). За - клинопирок-сеновый амфиболит (обр.24788ш); 36 -амфиболит со сфеном (обр.24947); Зс -куммингтонитовый амфиболит (обр. 27026); 3 ¿ - эпидот-роговообманко-вый амфиболит (обр. 31272).

А

Б

ига

^ ^^ я»

Плотность

и ¡0 Я

ЕЗ. Шг ЕЭ. ЕЭ# ЕЭ» 123»

•У 4 I

(1)

ш,

Е1Э< ЕЭ.

Скорость Р - волн в образцах

Кавернозно сть ствола

300 500 700 Рии

®

№ /V-1

ЕЗ. ЕЭ, Н. О, ЕЭ.

ЕЭ» ЕЭ» ЕЭ« ЕЗч о.

• \ » ♦ и

^'г- . • . I

Ш- сэ» ЕЬ Е3< 1

Анизотропия по скорости Р-волн

К

«00 600 воо

► 4 * ЪП \

V

I» • /

/

®

ш,

СП, СП) СП. ЕЕЗ» ЕЗ.

Рис.5. Сводные давние по разрезу СГ-3

N

тельно любопытную разновидность поперечно-изотропного или псевдогексагонального типа П: в направлении оси симметрии скорость распространения продольных волн максимальна, в направлении плоскости - минимальна. Для их нормализованной матрицы \/ц имеют место следующие отношения:

Ч, - ^ , у,г= у,, ^ у,, = > у« .

Условно тип П можно представить в виде пучка параллельных цилиндрических стержней, находящихся в отличающейся от них по упругим свойствам изотропной среце. Происхождение симметрии типа П в горных породах пока не вполне ясно.

По отношению коэффициентов анизотропии ^*1223 " 1133 роды СГ-3 разбиты нами на две группы. По одной из них зто отношение близко к зависимости, отмеченной среди пород ВЛП, по другому -СГ-4. На наш взгляд, по этому признаку возможно разделить породы по разрезу СГ-3 на вулканогенные и терригенные. Однако данный вывод требует проверки. Как показали наши наблюдения, при извлечении керна СГ-3 из глубин 6-12 км отчетливо проявляется эффект дезинтеграции горных пород. Суть эффекта дезинтеграции состоит в следующем: на сравнительно больших глубинах поликристаллические породы под воздействием геостатического давления находятся в изостатическом состоянии. Контакты между минеральными зернами сплошные и прочные. При выбуривании и извлечении керна на поверхность происходит освобождение породы от геостатического давления и расширение каждого минерального зерна в соответствии с его упруго-анизотропными показателями. Деформации, возникающие в каждом анизотропном минеральном зерне приводят к разрыву первоначально прочных межзеренных контактов, появлению массы микротрещин. Результатом этого процесса является очень малая средняя скорость распространения продольных колебаний (% I. 2 км/с), зарегистрированная во фрагментах керна СГ-3, извлеченного из глубины Н = 10-12 км. Эффект дезинтеграции или более общий тектоно-кессонный эффект имеет много форм их проявления при геологических процессах.

Как и для пород СГ-4, большей анизотропии пород скважины СГ-3 соответствует большая кавернозность ее ствола. На основе теоретических работ С.Г.Лехницкэго и полученных нами данных по СГ-3, СГ-4 вполне справедливым является вывод: разрушения в стволах сверхглубоких скЕажин обусловлены, как правило, не «однородностью поля напряжений, а существенной анизотропией упругих свойств пород. Породы с наиболее сильной анизотропией, с наиболее выраженными текстурами залегают на глубине Н = 7-9 км. По данным измерений на этих же

глубинах кавернозность ствола СГ-3 наиболее развита.' Показатели Д эффекта линейной анизотропии поглощения на этих глубинах также принимают наибольшие значения, причем самые максимальные из них зарегистрированы у амфиболитов. Следует учитывать, что при распространении поперечных волн в средах с высокий показателем ЭЛАП компонента колебаний с вектором поляризации, направленным по нормали к ориентированным элементам текстуры, активно поглощается.

Общий обзор результатов акустополяриснопии пород КПП, СГ-4, СГ-3 позволяет заключить, что чем выше возраст пород, чем выше" фация метаморфизма, тем больший относительный объем сильноанизотропных пород, проявляющих высокую степень ЭЛАП, включает данный мас-:ив (табл.1). Полученные нами данные подтверждают положение, выдвинутое Г.Т.Продайводой и др., позволяющее рассматривать горную юроду в определенных объемах как квазикристалл. Пример акустопо-шриграмм монокристалла синтетического кварца (рис.4) показывает, [то метод акустополярископии пригоден и для сред низших типов симметрии, таких как тригональная.

Заключение

Изложенная совокупность теоретических, методологических, эко-ериментальных исследований позволяет сделать вывод о том, что ¡сустополярископия является новым научным направлением, имеющим грого очерченные задачи, разработанную процедуру определений и эигинальное приборное обеспечение.

Основные положения этого направления состоят в следующем:

1. Акустополярископия предназначена для диагностики наличия

!ругой анизотропии, определения числа и пространственного положе-1Я элементов симметрии, упругой сингонии, величин констант упру-сти, наличия и параметров эффекта линейной анизотропии поглоще-я (ЭЯАШ и др.

2. Наблюдения (на образцах или в массиве горных пород) осуще-вляются при помощи чисто поперечных линейно-поляризованных излу-телей и приемников £ - волн.

3. В процессе наблюдений осуществляется синхронное изменение 1равлений векторов поляризации колебаний излучателя и приемника юсительно объекта изучения (образца, массива горных пород).

4. По характеру изменения огибающей регистрируемых амплитуд [ параллельных векторах поляризации излучателя и приемника ко-1аний судят о наличии в среде эффекта линейной анизотропии пог-

лощения и его параметрах.

5. По угловому положению минимумов огибающей регистрируемых амплитуд при скрещенных векторах поляризации излучателя и приемника колебаний определяют пространственное положение элементов упругой симметрии анизотропной среды.

6. Сингония (тип упругой симметрии) определяется на основе анализа формы акустополяриграмм, числа проекций элементов симметрии, результатов расчетов констант упругости.

Дяя проведения акустополяризационных наблюдений разработаны, в том числе принципиально новые, измерительные приборы, комплект которых необходим и достаточен для выполнения поставленных выше задач. При создании комплекса:

1. Разработан (рассчитан, изготовлен, используется) ряд модификаций преобразователей чисто поперечных линейно-поляризованных колебаний (а.с. 785737, 1018006, 1163252). Наилучшими параметрами обладают преобразователи (а.с. № 785737) с использованием звукопровода, содержащего границу раздела двух акустически различающихся сред с углом падения центрального луча Р-волн, большим критического, при которой луч проходящих Р-волн находится за углом полного внутреннего отражения.

2. Разработан (рассчитан, изготовлен, используется) ряд совмещенных преобразователей (в т.ч. по а.с. № 735930), излучающих

и принимающих как Р- , так и ё -волны. Наилучшими качествами обладает совмещенный преобразователь, граница раздела звукопровода которого используется как преобразующая для 3 -волн и как отражающая - для Р. Преобразователь повышает производительность и сокращает время измерений примерно на 40%. Отробована конструкция комбинированного преобразователя, излучающего и регистрирующего пучки лучей Р волн и двух 3 -волн со взаимноперпендикулярными векторами их поляризации.

3. Разработан (изготовлен и используется) ряд акустополярис-копоб с подвижной рукоятью и поворотной платформой (а.с. № 1281993), Конструкция акустололярископа с подвижной рукоятью рассчитана на образцы больших размеров (до 100 мм). Акустополярископы с поворотной платформой обеспечивают высокоточные амплитудные измерения на кубических образцах с размером ребра от 40 до 10 мм.

4. Разработан способ сейсмической разведки геологического объекта (а.с. !г 1434377), позволяющий определять азимутальную направленность элементов упругой симметрии анизотропного массива.

Результаты методических разработок, как перечня необходимых

тапов и операций включаю? в себя:

1. Требования, выполняемые при отборе и разделке проб, поц-отовке образцов к проведению акустополярископии. Для получения ространственно ориентированных элементов симметрии, определения ша ЭЛАП показана необходимость проведения измерений на кубичес-кх образцах (неправильных додекаэдрах).

2. Наиболее рациональные, с точки зрения наибольшей точности, также экономии времени, затрат труда, приемы проведения акусто-

элярископии и определения величин скорости распространения Р-$ -волн, оценку погрешности результатов измерений.

3. Критерии для разграничения срец на слабо- и сильноанизот-зпные, а также правила диагностики пород орторомбической, тет-1Гональной, псевдогексагональной, кубической и др. типов симмет-1Й. Приводятся зависимости для расчета всех констант упругости гречисленных сред.

Результаты экспериментального изучения анизотропии пород Во-¡-ламбинского архейского геоцинамического полигона (ВЛП), разре->в сверхглубоких скважин. Уральской (СГ-4), Кольской (СГ-3) поз-)ляют сделать следующие выводы и отметить основные положения:

1. Обнаружены случаи наличия сильной упругой анизотропии

ш слабом проявлении или отсутствии внешних признаков напрзвлен-н текстур. Имеются случаи явного несовпадения направленности :ементов упругой симметрии и направления линейности, их несогласия плоскостью сланцеватости.

2. На примере образцов, отобранных на ЕПП с сохранением ери-жировки, предложен способ определения параметров пространственной правленности и относительной величины компонент поля палеонапря-ний, в одном случае приводящих в процессе метаморфических преоб-зований к образованию породы с псевдогвксагональной симметрией, другом - с орторомбической.

3. По показателям упругой анизотропии и ЭЛАП в разрезе СГ-4 деляются контрастные зоны, которые отвечают прослоям и контак-м различных пород (по геологической колонке). По разрезам СГ-3, -4 между показателями анизотропии породы и величиной поперечно-

раэмера скважины в зонах кавернообразования обнаружена тесная язь. Таким образом, зоны потери устойчивости, навернообразова-я в скважинах связаны в большей степени не с неоднородностью по-современных напряжений, а с существенной анизотропией упругих ойств пород.

4. Упругие свойства пород, как показали атустополяризапион-

ные наблюдения, определяются влиянием факторов: упругой анизотропией, неоцнородностями, трещиноватостью, линейной анизотропией поглощения. Упругоизотропные породы встречены только в части разреза СГ-4. Среди пород архейского возраста (ВЕЛ, СГ-3) наибольшее число образцов входит в группу сильноанизотропных пород, как правило ор-торомбического типа симметрии. В породах протерозойского возраста (СГ-3) встречаются как слабо, так и сильноанизотропные. Чем выше возраст пород, чем сильнее они метаморфизованы, тем больший относительный объем сильноанизотропных пород с высокой степенью ЭЛАП включает данный массив.

5. Эффект линейной анизотропии поглощения проявляется в породах, представленных чередованием одних, вытянутых вдоль одного направления структурных элементов, с другими, отличающихся от первых по упругим свойствам. Он может проявляться и в однородных породах

с ориентированной трещиноватостью. По результатам модельных экспериментов и наблюдений на образцах выделены плоскостная и линейная формы проявления ЭЛАП. Среди пород ВЛП, СГ-4, СГ-3 более половины, от 56% до 89% (архей СГ-3) обладают заметной и высокой степенью проявления ЭЛАП. Упругая анизотропия и ЭЛАП проявляются независимо друг от друга.

6. Экспериментальные данные подтверждают наличие эффекта дезинтеграции горных пород, проявляющегося в керне глубоких и сверхпу-боких скважин. В основном, его механизм состоит в том, что первоначально сплошные и прочные поликристаллические породы, за счет анизотропии упругих свойств минеральных зерен и разгрузки от геостатических напряжений, разуплотняются и дезинтегрируются в процессе их извлечения с глубины 6 и более км.

7. Метод акустополярископии имеет определение перспективы, помимо горных пород, при решении задач кристаллофизики, при изучении и разработке новых кристаллических, композиционных, керамических и иных анизотропных материалов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии.

1. Отражение и прохождение упругих волн на границе раздела сред. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1985, 98 с.

2. Воче-Ламбинский архейский геодинамический полигон /Под ред. Ф.П.Митрофанова, В.И.Пожиленно. Апатиты: КНЦ АН СССР, 1991, 196 с.

соавторы Балагансний В. В., Иванова Н.Г., Королева JI.H. - с. 45-53.

3. Архейский комплекс в разрезе СГ-3 /Под ред. Ф.П. Митрофано-а, Ю.Н.Яковлева, В. С. Ланева. Апатиты: КНЦ АН СССР, 1991, 187 с. соавторы Галцин Н. Е., йгарнов D. П., Шаров Н. В. - с. 153-173).

Методические рекомендапии.

1. Горбацевич Ф.Ф., Бакулин В.Н. Методика определения зату-ания ультразвуковых волн в образцах горных пород в диапазоне 3-2D0 кГц. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1979, 35 с.

2. Горбапевич Ф. Ф. СИределение скорости распространения про-зльных и поперечных колебаний в образцах горных пород. Апатиты: >льский филиал АН СССР, 1982, 16 с.

3. Горбацевич Ф.Ф. Акустополяризационные измерения характе-ютик анизотропии горных пород. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, »5, 32 с.

4. Горбацевич , Балаганский В.В., Иванова Н.Г. Акустопо-гриметрия и определение упругой симметрии горных пород. Апатиты: [Ц АН СССР, 1990 , 83 с.

Статьи, тезисы.

1. Горбацевич Ф.Ф., Бакулин В.Н. Определение функции расхож-ния упругих волн излучателей механической энергии. В кн.: Ис-едование действия взрыва при подземной разработке месторождений, атиты: Кольский филиал АН СССР, 1973. - с. 134-139.

2. Бакулин В.Н., Горбацевич Ф.Ф. Шределение коэффициента за-хания методом реверберации на основе анализа процесса многократ-х отражений. В кн.: Исследование действия взрыва при подземной зработке месторождений. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1973. С. I4I-I48.

3. Горбацевич Ф. Ф., Панин В. И. Шыт применения ультразвуко-со метода для изучения напряженного состояния анизотропных по-ц. В кн.: Разработка рудных месторождений Кольского полуострова, атиты: Кольский филиал АН СССР, 1973. - С. 59-65.

4. Горбацевич Ф.Ф., Меденков Ф.Г. К вопросу определения коэф-^иента затухания упругих волн с учетом функции расхождения источ-ta колебаний. В кн.: Механические эффекты технологических взры-

}. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1976. - C.II5-I2Q.

5. Горбацевич Ф.Ф. Коэффициенты отражения и прохождения упру: волн на плоской границе раздела упругих сред. В кн.: Регули->ание действия взрыва при массовой отбойне. Апатиты: Кольский [иал АН СССР, 1977. - С. 94-106..

6. Горбацевич Ф.Ф. О соотношении релеевской и поперечной волн, распространяющихся в упругом твердом теле. В кн.: Методика и техни ка петрофиэических исследований. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1977. - С. 37-38.

7. Горбацевич Ф.Ф., Бакулин В.Н. О соотношении размеров образцов и датчиков при измерении затухания упругих волн методом реверберации. В кн.: Методика и техника петрофиэических исследований. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1977. - С. 32-36.

8. Бакулин В.Н. , Горбацевич Ф.Ф. О влиянии характеристик граничащих сред на амплитуду преломленной поперечной волны //Акустический журнал, 1978, № 2. - С. 286-289.

9. Горбацевич Ф.Ф., Бакулин В.Н. О преобразовании продольной волны в поперечную путем отражения от границы полупространства //Изв. АН СССР. Дефектоскопия, 1979, Е I. -С.66-71.

10. Бакулин В.Н., Горбацевич Ф.Ф. Методика определения скорости распространения ультразвуковых поперечных колебаний в средах с большим затуханием. В кн.: Геофизические исследования восточной части Балтийского щита. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1980. - С. 138-143.

11. Горбацевич Ф.Ф., Меденков Ф. Г., Абрамов H.H. К проблема петроакустических исследований при изучении состояния массива анизотропных горных пород. В кн.: Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов. Тез.докл. -М.: Изд. ЮТ, 1981. -С. 28-29.

12. Горбацевич Ф.Ф. Акустополяризационный метод оценки упругой анизотропии горных пород. В кн.: Геофизические и геодинамические исследования на северо-востоке Балтийского щита. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1982. - С. 26-41.

13. Горбацевич Ф.Ф. Преобразователи сдвиговых колебаний для определения свойств сильнопоглощающих сред //Изв. АН СССР. Дефектоскопия, 1983, № 7. - С. 75-82.

14. Горбацевич Ф.Ф. Метод акустогйшризапионных определений вида анизотропии и констант упругости горных пород. В кн.: Физические метолы контроля и исследования горных пород и процессов: Тез.: докл. М.: MIV., 1984. - С. 21.

15. Медведев Р. В., Горбацевич Ф. Ф., Писарницкий А. Д., Смирнов Ю.П. Эффекты разупрочнения горных пород по материалам сверхглубокого бурения. В кн.: Физические основы прогнозирования разрушения горных пород. Фрунзе: Илиы, 1985. - С.34-35.

16. Горбацевич Ф.Ф. О переходе к гидростатическому распре-

елению напряжений на больших глубинах. В кн.: Взаимосвязь геоло-о-тектонического строения, свойств, структурных особенностей по-од и проявлений избыточной напряженности. Апатиты: Кольский филиал Н СССР, 1985. - С. 147-152.

17. Горбацевич Ф. Ф., Панасенко Г.Д., Шаров Н.В. Физические сновы и метод определения анизотропии кристаллических горных по-од. В нн.г Горная геофизика. Тез.докл. - Батуми: Аджарское центр, татуправление, 1985. - С. III.

18. Горбацевич Ф.Ф. Физические основы и аппаратура акустопо-иризационного метода определения упругой анизотропии горных пород.

кн.: Сейсмическая анизотропия. Результаты, проблемы, возможности, эз.докл. - М.: ИФЗ им.0.Ю.Шмидта, 1986. - С; 30.

19. Шаров Н.В., Иванов Г.А., Горбацевич Ф.Ф. Анизотропия горах пород и массивов на разных масштабных уровнях по данным наблю-гний на Кольском полуострове. В кн.: Сейсмическая анизотропия, »эультата, проблемы, возможности. Тез.докл. - М.: ИФЗ им.О.Ю.Шмид-I, 1986. - С. 36.

20. Горбацевич Ф.Ф., Медведев Р.В. Механизм разуплотнения металлических горных пород при их разгрузке от напряжений. В кн.: гдныв геофизические исследования на Кольском полуострова. Апати-

V. Кольский филиал АН СССР, 1966. - С. 83-89.

21. Горбацевич Ф.Ф. Акустополяризационкый метод изучения ани-1тропии горных пород //"Изв. АН СССР. Физика Земли, 1986, * II.

С. 74-79.

22. Иванов Г.А., Павловский В.И., рубинраут С.И., Горбацевич Ф. Поляризационные сейсмоакустические исследования анизотропии « изучении свойств и состояния горных пород Хибинского массива, кн.: Горная геофизика. Тез.докл. - Тбилиси: Мецнетреба, 1987.

С. И.

23. Горбацевич Ф.Ф., Панасенко Г.Д., Шаров Н.В., Мусакина В. Поляризационные явления при распространении упругих волн в пряженных горных породах. В кн.: Горная геофизика. Тез.докл.-илиси: Мецниетреба, 1987. - С. 12.

24. б^ог^ойь'е^ск. Р. Р. ^гйлс^&Л олпЯ с^иЯсеб

^ ^лил^ал //в^Ць Ч й,. МсоК 5ос

, 94. , р. А<4г»- 5£>о.

25. Викентьев И. В., Старостин В.И., Горбацевич Ф.Ф. Акусто-пяриграммы мэтаморфизованных пород и руд Тишинского месторожде-ч (рудный Алтай)//Докл. АН СССР, 1988, т. 299, № I. -С. 198-201.

26. Горбацевич Ф.Ф., Иванова Н.Г., ГУсев В.П., Шамрай Г.И. Акустополяризационный метод применительно к определению систем упругой симметрии констант упругости образцов горных пород из керна сверхглубоких скважин. В кн.: Сверхглубокое континентальное бурение и глубинные геофизические исследования. Тез.докл. - Ярославль: Мингео СССР, 1988. - С. 203-204.

27. Панасенко Г. Д., Горбацевич Ф.Ф. Геофизические аспекты построения многофакторной системы инструментального контроля геодинамического состояния массива при подземной отработке месторождений. В кн.: Горная геофизика. Ч.П. Тез.докл. - Тбилиси: ИГМ

им. Г. Д. Цулукидзе АН Груз. ССР, 1989. - С. 59-60.

28. Иванов Г. А., Горбацевич Ф.Ф., Рубинраут С.И. Определение параметров палео- и современных напряжений при использовании акус-тополяризационного и сейсмического метода. В кн.: Горная геофизика. ч.П. Тез.докл. - Тбилиси: ИГМ им.Г.А.Цулукидзе Груз. АН ССР,

1989. - С. 177-178.

29. Горбацевич Ф.Ф. Метод определения типа симметрии и констант упругости анизотропных сред //Изв. АН СССР. Дефектоскопия,

1990, № 5. - С. 22-30.

30. Горбацевич Ф.Ф. Анизотропия поглощения сдвиговых колебаний в горных породах //Изв. АН СССР. Физика Земли, 1990, № 5.

- С. 70-79.

31. Горбацевич Ф.Ф. Количественный метод оценки палеонапря-жений рудных зон. В кн.: Новое в изучении минерально-сырьевых ресурсов &$урманской области: Преп. - Апатиты: КНЦ АН СССР, 1990.

- С. 25-26.

32. Горбацевич Ф.Ф., Иванов Г. А., Шаров Н.В. Различия в упругой анизотропии горных пород и массивов. В кн.: Физические процессы горного производства: Тез.докл. - М.: МГИ, 1991, - С.9.

33. Горбацевич Ф.Ф. Новое поколение приборов для акустополя-ризационных измерений. В кн.: Доклады XI Всесоюзной акустической конференции. Секции П: Тез. докл. - М.: АКИН АН СССР, 1991, -С. 21-22.

34. Балашов В.А., Ветрин В.Р., Галдин Н.Е., Горбацевич Ф.Ф.

и др. Архейский комплекс в разрезе СГ-3: Препр., русск., англ., -Апатиты, КНЦ АН СССР, 1991, 52 с.

Авторские свидетельства.

1. A.c. 785737, СССР МКИ Ol ff 29/04. Искатель поперечных гьтразвуковых колебаний /Ф.Ф. Горбацевич, В.Н.Бакулин, Билл, изобр., 380, № 45.

2. A.c. 735990, СССР, МКИ 01 # 29/04. Преобразователь ульт-13вуковых колебаний /В.Н.Бакулин, Ф.Ф.Горбацевич, Бюлл.изобр., »0, № 19.

3. A.c. I0I8006, МКИ 01 № 29/04. Датчик сдвиговых ультразву-1вых колебаний /Ф.Ф.Горбацевич, Н.Н.Абрамов, Бюлл.изобр., 1983,

4. A.c. II4II95, МКИ Ol ff 29/04. Устройство для определения стояния горных пород вшссиве /Ф.Ф.Горбацевич, Ф. Г.Меденков,

H.Абрамов, Еюлл.изобр., 1985, №7.

5. A.c. II63252, МКИ 01 » 29/04. Ультразвуковой преобразо-тель для измерения скорости поперечных ультразвуковых колебаний .Ф. Горбацевич, Н.Н.Абрамов. Бюлл.изобр., 1985, * 23.

6. A.c. I2BI993, ЫКИ 01 * 29/04. Акустополярископ для изменил упругости твердых сред /Ф. Ф. Горбацевич, Бюлл.изобр., 1987,

I.

7. A.c. 1434377, МКИ Ol ff 1/00. Способ сейсмической развед-геологического объекта /Ф. Ф. Горбацевич, Н.В.Шаров, Бюлл.изобр.,

В8, ff 40.

18.

Автореферат

АКУСТОПОЛЯРИСКОШИ ГОРНЫХ ПОРОД (МЕТОД И РЕЗУЛЬТАТЫ)

Технический редактор В.А.Ганичев

Подписано к печати 15.10.92.

Формат бумага 60x84 I/I6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 2.09. Уч.-изд.л. 2. Усл.краско-от. 2.С9. Тираж 120 экз. Заказ Je 2.

Ордена Ленина Кольский научный центр еы.С.{.'.Кирова РАН 184200, Апатиты, Мурманская область, Ферсмана, 14