Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование частотных характеристик затухания упругих волн в горных породах при высоких давлениях

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование частотных характеристик затухания упругих волн в горных породах при высоких давлениях"

академия наук ссср ордена ленина институт физики земли им. О. Ю. ИЩДТА

На правах рукописи • удк 552.1 -.53:539. 8+550. 834

Жуков Игорь Всеволодович

исследование частотных характеристик затухания упругих волн в горных породах' при вйсоких давлениях

Специальность 04.00.22 - Геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой стргюди кандидата физико-математических наук

Москва 1991

Работа выполнена в ордена Ленина Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта АН СССР.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук В. А. Калинин

Официальные оппоненты: доктор фазико-математических наук A.C. Алешин;

кандидат физико-математических наук А. И. Лутиков

Ведущая организация - Санкт-Петербургский горный институт

Защита состоится ЧЛ " с/^Jf V5ßZr. в час,

на заседании Специализированного Совета К 002.08.02 при Институте физики Земли им.0. Ю.Шмидта АН СССР по адресу: 123810, Москва, ул.Б.Грузинская, 10 . •

С диссертацией мсжно ознакомиться в библиотеке ИФЗ АН СССР.

Автореферат разослан " У " ¿tetga/l^ 199¿г.

Ученый секретарь Специализированного Совета . доктор физико-математических наук Ь.А, Дубровский

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Затухание упругих волн .является одной из информативных физических характеристик, отражающих состояние, состав и структуру вещества Земли. В частности, затухание упругих волн обладает высокой чувствительностью по отношение к физическим процессам, происходящим в горных породах при высоких термодинамических параметрах.

Важное место в комплексе экспериментальных данных о процессах трансформации вещества ьа больших глубинах занимают результаты лабораторных исследований акустических свойств горных пород при высоких давлениях, проводимые на образцах ограниченных размеров ультразвуковыми методами на частотах ~ I МГц. К настоящему времени достаточно широко изучены зависимости скоростей продольных и поперечных упругих волн от давления, установлены связи этих зависимостей с различными микроструктурными факторами. В то же время исследования параметров затухания волн развивались недостаточно интенсивно; это было связано прежде всего с отсутствием надежных, физически обоснованных экспериментальных методик, учитывающих особенности распространения ультразвуковых волн в сложных акустических трактах лабораторных установок высокого давления, из которых наиболее распространены квазигидростатические камеры' типа " цилиндр-поршень " позволяющие подвергать образцы горных пород сжатию до давлений свыие I ГПа.

Целью работы является разработка 31 апробация методики определения частотных зависимостей затухания продольных упругих волн в горных породах при сжатии образцов в установках "цилиндр-поршень" до давлений более I ГПа. За основу взят импульсный спектральный подход, причем последовательность измерительных операций и методика обработки сигнала отражают особенности акустического тракта, состоящего из образца ограниченных размеров и* последовательности соединенных друг с другом звеньев.

Задачами методической часто диссертации является: I) разработка физических' основ и вывод расчетной формулы для определения коэффициента ззтугавад продольных волн в горной

породе;

2) установление критериев количественного частотного анализа импульсных акустических сигналов, излучаемых ультразвуковыми преобразователями резонансного типа, в сложный акустический тракт;

3) исследование затухания ультразвука в некоторых металлах при атмосферном и высоком давлениях с целью их использования

в качестве эталонов;

4) проведение апробационных экспериментов, в том числе проверка взаимной согласованности4 разных аппаратурнкх л методических версий спектрального подхода.

В части работы, посвященной изучению затухания упругих волн в горных породах вод давлением до 1.5 ГЛа на информативных частотах спектра ~ I "МГц, основное внимание уделено связи затухания с такими структурными особенностями пород как гетерогенность, пористость, упругая анизотропия, фазовый переход под давлением.

Научная новизна. Разработаны методика и способ определения частотных характеристик затухания продольных упругих волн в горных породах под высоким давлением. На способ получено авторское- свидетельство Госкомизобретений.

Получен критерий количественного частотного анализа упругих импульсов, включая оценки точности анализа и рекомендации относительно выбора информативной части регистрируемых импульсов.

Впервые получены данные о затухании продольных упругих волн в ряде горных пород (гранигоиды, кальцитсодержащле,

ультрассновной ксенолит), находящихся под квазигидростатическим давлением свыше I ГПа . Разработанная спектральная методика-позволила определить зависимости коэффициента затухания от частоты в диапазоне информативных частот спектра ~ I МГц. Для некоторых фиксированных частот спектра построены зависимости коэффициента затухания продольных волн от давления. Установлена качественная связь мезду названными зависимостями и микроструктурными факторами.

Получены новые данные о затухании ультразвука на частотах .

I МГц в поликристаллической меди и латуни при атмосферном и высоких давлениях до 1.5 ГПа. Показана эффективность использования'. этих металлов в качестве эталонных веществ при исследовании затухания упругих волн в горных породах.

Проведено сопоставление результатов настоящей работа с данными других исследователей; предпринята попытка обобщения известного экспериментального материала.

Практическая ценность. Разработанная методика обладает широкими возможностями и может найти разнообразные приложения в геофизике, физике твердого тела, дефектоскопии. В частности, ее внедрение в лаборатории высоких давлений ИФЗ АН СССР позволило расширить комплекс изучаемых параметров и повысить достоверность лабораторных исследований физических свойств горных пород при высоких давлениях.

Эксперимент« на горных породах продемонстрировали высокую чувствительность частотных характеристик затухания ультразвука к процессам, происходящим в сложных поликристаллических средах на микроструктурном 'уровне. Результаты настоящей работы могут оказаться полезными при решении важной проблемы современной геофизической науки - построении единой феноменологической модели процесса затухания упругих волн с учетом термодинамических условий.

Апробация работы. -Материалы дисоертации докладывались на vii Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах С Ереван,1985), Всесоюзных кокференцях молодых ученых "Актуальные проблемы геофизики" (Звенигород,. 1984, Суздаль,1986 ), тематических симпозиумах Проекта 3 КАПГ (Потсдам, 1985, Мншколъд, 1987).

Публикации. Основные результаты изложены в 10 опубликованных работах, включая 2 авторских свидетельства."

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, содержит 244 страницы машинописного текста и 55,рисунков. Список литературы состоит из 127 наименований,

Л

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Приведены некоторые сведения из истории вопроса, ^формулированы цели и оадачи исследований, дана общая характеристика работы.

Глава I . Современные представления о затухании упругих волн в горных породах.

Затухание упругих волн в реальных твердых средах является сложным, много^акторным процессом. К основным физическим механизмам затухания волн в неоднородных поликристаллических горных породах относятся как диссипативное поглощение, связанное с неупругостью слагающих горную породу минералов, влиянием межзеренных границ, пористостью и трещиноватостыо, так и рассеяние на зернах, неоднородностях и структурных дефектах.

Различные аспекты проблемы рассмотрены "в работах Г.А. Гам-бурцева, Б. В. Дерягина, Ю. В. Ризннченко, Е. Ф. Саваренского, И. С. Бер-зон, Ю. И, Васильева, С.Д.Виноградова, О.К.Кондратьева, А. Л, Левшина,

A.Б.Николаева, В. С. Ямщикова и других исследователей. Следует отметить, что существующие феноменологические модели затухания практически не в состоянии учесть эффект совместного воздействия комплекса факторов, приводящих к перераспределении доминирующих механизмов затухания при изменении термодинамических условий.

В настоящее время в геофизической науке прослеживается тенденция к синтезу теоретического и экспериментального лодходов, поэтому, в частности, возрастает роль лабораторных опытов, проводимых на образцах горных пород при высоких давлениях.

При изучении параметров затухания' упругих волн в образцах горных пород при атмосферном давлении использовали ультразвуковые методы, основанные на принципах кратных отражений и прозвучивания (М.П. Волароьич, А.И.Левыкин, О.И.Силаева, О.Г.Шамина, А. Ванек,

B.М.Меркулова я др. Ранние экспериментальные работы представляет интерес прежде всего с методической точки зрения. В частности, установлено влияние масштабного фактора и. возможных интерференционных искажений импульсного сигнала на результаты измерений.

В экспериментальных исследованиях затухания волн в горных

породах при .высоких давлениях ультразвуковые методы были внедрены на установках для гидростатического сжатия образцов пород до 0,4 ГПа '( к. И. Левыкин, М. Токсед, Д. Джочстон, А.Тимур). Установлена общая качественная'закономерность, которая выражается в понижении затухания продольных и поперечных волн по мере увеличения давления в мраморе, • базальте, доломит—е , габбро СА.И. Левыкин), пористых сухих и водонасыценных известняках и песчаниках (Д.Джонстон и др.).

• К настоящему времени практически не изучено затухание упругих волн в горных породах при более высоких давлениях (I ГПа и выше), под воздействием которых могут происходить изменения свойств вещества на структурном уровне (микронарушения сплошности, микропластичность, структурные переходы). Наиболее распространенными лабораторными установками для создания давлений более I ГПа являются квазигидростатические камеры "цилиндр-поршень1'. В лаборатории высоких давлений ИФЗ АН СССР на этих установках М, П. Воларовичем, А.И. Левитиным, U.C. Томашевской, Е. И. Барк, С.М. Киреенковой, Г.А.Ефимовой и др. изучен комплекс упругих характеристик различных горных пород, в том числе определены скорости- распространения продольных и поперечных волн ультразвуковым импульсным методом. Однако целенаппавленные исследования затухания упругих волн на установках "цилиндр-поршень" ранее не проводились из-за отсутствия надежной, физически обоснованной методики эксперимента.

Глава 2, Физические основы методики исследования зьтухания упругих волн при высоких давлениях.

В соответствии с поставленной задачей, при разработке методики экспериментального определения коэффициента затухания продольных волн оср в зависимости от частоты f и давления Р автор исходил из возможности ее . внедрения на стандартной аппаратуре для ультразвуковых исследований горных пород в установках высокого давления тина "цилиндр-поршень". Акустический тракт таких установок представляет собой последовательность соединенных друг с другом звеньев; импульсный сигна'л проходит через нагружающие элементы, пуансоны из твердого сплава, торцовые части пластической оболочки и исследуемый образе». Очевидно, на

характеристики регистрируемого сигнала оказывает влияние каждое из упомянутых звеньев. Выражение для спектра импульсного сигнала на выходе рассматриваемой линейной системы имеет вид

. • 3(Г,Р> аР Б (П ки> М^Р) Х^.Р) Е(Г) , . (1)

где я (г) - спектральная характеристика входного сигнала;

к а) - результирующая амплитудно-частотная САЧХ) характеристика излучзвщего и приемного ультразвуковых преобразователей;

ь(Г,Р)'- результирующая АЧХ потерь в звеньях акустического тракта, исключая образец;

х и,Р) - коэффициент потерь на контактах между пластической оболочкой и образцом;

х(^,Р) - АЧХ затухания упругой волны в исследуемом образце; к(г) - результирующая АЧХ электрической части блок-схемы, включая электронную аппаратуру и линии передачи сигнала. Как видно из СI), дл"я выделения из результирующего спектра искомой характеристики

Х(Г,Р> = ехр(-а lf.Pl 1(Р)) р

( 1(Р) -длина образца, зависящая от давления) необходимо знать результирующую характеристику потерь во всех элементах системы, исключая образец.

Наиболее удобным методическим решением, По мнению автора, является операция эталонирования: образец из вещества с-известным затуханием помечают в акустический тракт системы (ячейку высокого давления) и нагружают в том хе режиме, что и исследуемый образец, с одновременным ультразвуковым прозвучиванием. Это позволяет исключить влияние общих элементов системы и рассчитать коэффициент затухания продольных волн в горной породе по базовой формуле методики:

1 ( ъ (Г,р) х (Г,Р) .

О (Г,р) = - 1п -ь.--1п —г-+ а (Г>Р) } (Р) (2)

р . 10? Л Я (Г ,Р) X и,Р) р* ■■ * >

где индекс "е" относится к эталону.

В форму пу (1) .входят контактные потери х и х которые пр» эталонироваыш будут полностью скомпенсированы из-за разны! акустических сопротивлений горной породы и эталона. Общие оценки покапывают, что в рассматриваемом случае фактор геометрического расхождения волной')со фронта не оказывает существенного влияния, ц правомерно применение формул Френеля для нормального падения-плоокой волны на 1'раниду раздела двух сред, т.е.

4 2 г 1 г 7,

.. - 0 • «о

< 2. + 2о?

где ъ - соответственно акустические сопротивления

горной породы, эталона и пластической оболочки, являющиеся в обаем случае функция»; частоты и давления. Для определения скоростей упругих волн и плотности -при высоких давлениях следует использовать известные экспериментальные методы.

Далее в главе 2 дана общая постановка методических вопросов, которые должны быть предметом ' специальных исследований следующей главы. К ним относятся:

13 ' выбор информативного ' фрагмента записи импульса, ррспространяющегося в составном акустическом тракте, для амплитудного частотного анализа;

2) оценка погрешности определения амплитуд частотных компонент вследствие анализа неполного импульса;

3) принципы определения коэффициента затухания упругих волн в эталонах, включая выбор вэдесгв для эталонных образцов и выбор методик измерения затухания в них.

Одним из важных усповяй достоверности экспериментальных данных является стабильность акустических' контактов между исследуемой средой и звеньями составного тракта установки р.чсокого деления. Установлен критерий стабильности и хорошей повторяемости регистрируемой волновой картины, согласно которому при заданном классе чистогц обработки контактных поверхностей элементов акустического тракта необходимо осуществить сжатие :;м-ньев до экспериментально, определяемого давления Р

( ъ + ъ )-

е

Глава 3 . Методические исследования. Апробация способа экспериментального определения затухания упругих волн в веществах при высоких давлениях.

В п. 3.1 обобщены экспериментальные данные о форме ультразвуковых импульсов, регистрируемых при прозвучивании системы "цилиндр-поршень" с находящимися под давлением образцами горных пород, металлов, модельных сред. Во всех опытах образцы имели форму- цилиндров высотой 20 мм и диаметром 17.5 мм. Для прозвучивапия применяли ' идентичные излучатель и приемник ультразвука из пьезокерамикя ЦТС с собственной частотой «4.2 МГц; излучатель запускали прямоугольным электрическим импульсом малой длительности С0.1 мкс).

Общей закономерностью всех полученных осциллограмм является наличие затухавших мейфовых частей вида f(t) = Aoexp(-pt) sin ot с преобладанием резонансной частоты излучателя; в то время как головные части импульсов в разных веществах имеют свои индивидуальные особенности формы. Начиная с некоторого момента времени на шлейфовые части импульсов накладываются интерференционные волны, изменяющие и форму, и "видимый" период. Ib-r¡a этого невозможно достоверное определение амплитуд спектральных компонент импульсов: наиболее искаженные их части должны быть исключены из анализа,

В п. 3. 2 представлены аналитические оценки спектральной . погрешности за счет изменения вклада шлейфовой части импульса. Рассмотрен затухающий синусоидальный сигнал бесконечной длительности с наложенным на него прямоугольным временным окном ширины ,т . Установлено, что наибольшие'относительные погрешности-определения амплитуд спектров имеют, место на основной частоте о С "полный" спектр получен при т « ; диапазон изменения параметра Э = 0 ' 1 мкс"1 ). Далее, рассмотрены амплитудные спектры ультразвуковых импульсов,- зарегистрированных при прозвучивании гранитоидной горной породы и эталона из меди. Путем дополнения импульсов соответствующими затухающими синусоидальными сигналами С параметры р = 0.25 mkc'S = й.зз мкс определены но ' экспериментальным осциллограммам) осуществлена реконструкция полных спектров, соответствующих условиям безграничного массива,

по формуле.

в(П = + + 2Б {Г < Г) ооа[Ф (Г) - Ф (П - 2 яГт ]}

где з < г) и ф (±") - амплитудный и фазовый спектры головной части импульса, соответст.нупщей временному окну г , которые определяют путем частотного (Фурье) анализа осциллограммы; з (■£■) и ф 2(г) -амплитудный и фазовый спектры затухающей шлейфовой части импульса, представленной в 1 аналитическом виде затухающим сигналом. Затем рассчитанные полные спектры сопоставили с определяемыми по экспериментальным данным спектрами головных частей (х - 1 * 3 икс).

Наибольшие 'погрешности определения амплитуд частотных компонент отмечены в облаети малых амплитуд 3. 2 - 3.8 МГц « на частоте'максимума ,4.2 МГц: ± 40% и ±25%' в горной породе и эталоне соответственно. В остальном, достаточно широком, интервале частот 1.0 - 3.I МГц погрешность че превышает ±10%, т. е. данный интервал может быть использован для количественной интерпретации.

Таким образом, при определении затухания по амплитудным спектрам для частотного анализа могут быть выбраны относительно короткие начальные фрагменты Импульсов, не искаженные интерференцией с пэреотраженными волнами;

Раздел 3.3 посвящен исследование эталонных образцов из поликристаялической меди и латуни. С 40% ¿п + 60% си), Выбор этих металлов обусловили: высокая степень однородности, оптимальные ■ деформационные свойства, возможность многократного использования, достаточно большое (для металлов) затухание. Последнее обстоятельство позволяет осуществлять регистрацию сигналов в горных породах и эталонах при одинаковых параметрах усиления аппаратуры.

Для определения коэффициентов затухания продольных волн а (П использована спектральная версия т.н. метода переменного

ре '

расстояния, в соответствии с которым в акустический тракт помещают образцы одного и того же однородного вещества разной длины:

1

-1— ш ) , (3)

- 1 4 'п '

т

где 1 и 1 длины образцов; а и а . - соответствующие км

р«

\ I

сгшлитуды рассматриваемой спектральной компоненты.

Эксперименты с эталонами проведены сначала при атмосферном давлении на экспериментальной установке , в состав которой входил прибор для исследования АЧХ XI-38 в комбинации . с временным селекторам, позволяющим изменять длительность анализируемого фрагмента импульса (аналог временного окна при цифровой обработке сигнала'). Целью данного этапа работы было сопоставление результатов двух методических реализаций спектрального подхода: аппаратурного Гс использованием прибора анализатора) и вычислительного Сс дискретизацией осциллограмм и расчетом спектров на ЭВМ).

По АЧХ, полученным в образцах мед;1 и латуни разной длины * информативном частотном диапазояе 0.5 - 2.0 МГц, по формуле СЗ) бмли рассчитаны зависимости а (О ; при этом длительность

ре

модулирующего импульса дг изменяли от I до 3 мкс. Наиболее "гладкие" АЧХ и, соответственно, а <г) получены при гл = I мкс. Яри обработке экспериментальных данных использована аппроксимация вида а" (f) - + вг2 + .... В описываемых опытах большинство

ре

кривых, построенных по экспериментальным точкам, может быть адекватно описано линейными функциями, что,, в общем, согласуется с современными представлениями о затухания' ультразвука в металлах. Примечательно, что линейные зависимости (г> ,

соответствующие различным Д 1; , практически совпадают.

Обобщение данных о влиянии длительности окна анализа независимым путем подтверждает сделанный в п. 3.2 вывод, что полезная информация о затухании сосредоточена лишь в головной части импульсов С в данном случае - в первом периоде). Присутствие в окне анализа шлейфовых периодов вносит дополнительную спектральную погрешность, приводящую к появлению локальных • экстремумов на экспериментальных зависимостях. Таким образом, процедура сжатия окна анализа может быть отождествлена с формальным сглаживанием экспериментальной кривой путем линейной аппроксимации.

Для оценки возможного вклада некоипенсируемых контактных потерь при расчете затухания согласно' (2) в акустический тракт с: образцами меди поместили свинцовые прокладки толщиной »2 мм, имитирующие пластическую оболочку в опытах при высоких давлениях.

Влияние свинца проявляется в виде интерференционных экг^рц/иов

при большие окнах анализа( 2 и 3 икс); при Л^ = I мкс

эксперимента/]( ные зависимости сглаживаются. Аппроксимируощч-

линейнме завис.пюоти а (Г) в цеди полученные в тракт« со г*

свинцовыми прокладка;») и без ни? находятся во взаимном соответствии.

На заключительной стадии гетодической части работы (и.З.-4) осуществлена проверка взимосогласо'вчнносги данных разни/, методических веи".ий , а также результатов, полученных для металле»» при атмосферном л высоких давлениях. В частности, зависимости « (f) в образцах меди и латуни определены в системе "цилиндр-поршень" при давлениях 0.2 ГПа и 1.0 ГПа' как методом переменного расстояния по формуле (3), так и базовым методом эталонирования С 2}. При это» один из металлов считали исследуем™, а другой - эталонным; затем металлы меняли ролями Таким образом, для меди л латуни построены но дче зависимости а (г). Установлено очень хорошее соответствие между дк^мя

ре ^

сопоставляемыми методами, разброс значений « не более + Т0'„ в ореднечастотной области спектра и ±15% в окрестности макс-пмуна 4.2 МГц, т.е. рассогласование не превышает установленной ранее погрешности частотного анализа. Следовательно, такие дополнительные источник)! ошибок как контактные. потери, геометрическое расхождение, аппаратурные искажения л погрешности дискретизации сигнала - вносят второстепенный вклад; спектральная погрешность является доминирующей и определяет точность методики в целом.

Глава 4. Затухание упругих волн в некоторых веществах и горных породах при ¿ксоких давлениях.

Для исследования влияния высоких давлений на затухание упругих волн выбраны горные породи, структуры которых различаются по зернистости, степени неоднородности и сплошности; это позволя ет ожидать качественно различного поведения зависимостей и <Р) и, таким образом, оценить чувствительность параметра затухания к конкретным физическим процессам в веществе, Помимо горных город, I. .д давлением изучены поликристаллическая медь и латунь, используемые в качестве эталонов; затухание .ультразвука в эти*

металлах также представляет самостоятельный интерес из-за различия их пластических свойств.

Изучены следующие горные породы: .

1) гранитоид сильно неравномернозерну-.пого сложения, содержащий отдельные крупные, до 5.0 .мм, зерна калиевого полевого шпата (образцы £ 42а и $ 42(5 изготовлены из одного блока породы, ось первого совпадает с направлением преимущественной ориентации включений плагиоклаза в кварц-полевошпатной матрице, ось другого перпендикулярна указанному направлению):

2) гранитоид с равномерной структурой С образец № 78);

3) кальцитсодержащая горная порода С93% сасоз ) с признаками структурного полиморфного перехода в интервале давлений 1.21.6 ГПа , проявляющимися' на деформационных зависимостях и

зависимостях ч (Р);

р

4) пористый известняк (образцы I и II) с преобладанием сфероидальных пор размерами 0,1 - I, 0 мм );

'5) ультраосновная горная порода - коенолит(шшшелевы": лерцолит) с преобладающей ориентацией зерен оливина и пи рокера, которые занимают до 30% о^Зьема породы; ось одного образца ( I 1/3 ) совпадает с направлением преимущественной ориентации зерен оливина, по [1003, ось другого образца ( № 1/6 ) совпадает с направлением [010] . . .

Эксперименты при высоких давлениях проведены в соответствии с установленными методическими критериями (гл.3): временное окно анализа импульсов составляло 1.5 мкс; при вычислении частотных спектров на ЭВМ ирпользованы стандартные программы дискретного преобразования Фурье!'; подготовка данных для счета осуществлена в соответствии с общими положениями.

Сухие образцы цилиндрической формы (диаметр 17, 5 мм, высота 20.0 мм) нагружали в квааигидроетатической установке до давлений Т.0 - 1.5 ГПа с шагом 0.1 ГПа или 0.2 ГПа. Минимальное давление устойчивого акустического контакта для всех изученных пород составило 0.15 ГПа; фэторегистрацив импульсов осуществляли начиная с давления 0.2 ГПа.

Результаты экспериментов (п. 4.3).

' и

4.3.1. Металлы. В исследованном интервале частот 1.0 - 3.1 МГц зависимости <* (?) в меди и латуни близки к линейным. Частотные

зависимости такого вида, согласно существующим представлениям,

имеют, место в поликристаллических веществах при. среднем размере

зерен на два порядка меньше длины ^олчы, Под воздействием высокого

давления затухание в меди и латуни изменяется: в интервале 0.2 -

0.6 ГПа на всех частотах происходит общее понижение а

—. р достигающее в меди более 50У. и гораздо слабее выраженное в латуни.

При давлениях свыше 0.6 ГПа затухание ультразвука в меди

возрастает; таким образом, в меди установлён минимум а

р

локализованный в* интервале давлений 0.5 --0.6 ГПа. В латуни при указанных давлениях особенностей затухания, не отмечено.

Возможной 'причиной увеличения затухания в меди при давлениях свыше Ü. 6 ГПа является повышение пластичности этого металла в условиях квазигидростатического сжатия.

4.3.2. Гранитоидные горные поводы. -Зависимости a (f)

* р

в образцах J6 42а,tí и Л 78 .построенные по экспериментальным

точкам, имеют несколько чередующихся локальных максимумов и

минимумов в интервале частот 0.5 - 4.5 МГц. Согласно результатам

методической главы, высокочастотная область спектра С f > з МГц),

определяемая с наибольшей амплитудной погрешностью, исключена

из рассмотрения; экспериментальйые' кривые ■ аппроксимированы

линейными завйсимостями, причем дополнительно установлена

тождественность линейной и квадратичной аппроксимаций для

изученного диапазона частот. Линейные аппроксимации оказались

наиболее адекватными экспериментальным кривым и для других горных

пород, рассмотренных ниже'.

Увеличение давления с 0.2 до '1.5 ГПа приводит к общему

понижению а : на « 50% в образце 42а и * 20% в образце Ю8 (на р . частоте 1.5 МГц). В целом, изменение затухаймя в гранитсидах

обусловлено закрытием микротрещин и улучшением акустическоих

контактов между зернами.. В гетерогенной породе (í42a,6 ) эти

изменения выражены более отчетливо, чем в равномернозернистой

(Ж78). Кроме того, в образце MZ6 при Р » 0.8 ГПа

отмечена особенность в виде минимума aj. 00% от уровня затухания

при 0.2 ГПа). Возможной ее причиной является присутствие в горной

породе ориентированных .включений плагиоклаза. Установлено хорошее

соответствие между а (Р) и v (Р).

р Р

4.3.3. Кальцитсодерхащая горная порода. В начальной стадии

нагружения 0.2 - 0.5 ГПа на всех частотах из спектрального интервала 1.0 - 3.0 МГц апонижается; в интервале давлений 0.5 -1.4 ГПа происходит прогрессирующее повышение затухания, особенно высокочастотных компонент, сигнала. При давлениях свыше 1.4 ГПа затухание резко увеличивается, амплитуда импульсов составляет всего 20-25% от уровня Р = 1.2 ГПа, форма и спектр импульсов также качественно меняются, Описанные изменения, в соответствии с известными данными, являются призраками фазового полиморфного перехода кальцита при давлениях 1.4 - 1.6 ГПа. Многочисленные методические проблемы исследования вещества ьепосредственно в процессе перехода к настоящему времени не решены; поэтому затухание определено только до давления I. 4 ГПа. Однако и в этом случае можно проследить тенденции к подготовке фазового превращения уже начиная с Р = 0. 5 ГПа. Скорости упругих волн менее чувствительны к этому процессу: соответствующие изменения V

р

наблюдаются лишь при давлениях свыше 1,0 ГПа.

4.3.4, Пористая горная порода - известняк. Образцы 1 в II исследованы в интервале давлений 0.2 - 1.2 ГПа. В начале цикла нагружения ( 0.2 - 0. 4 ГПа) отмечено увеличение затухания более чем на 30 У. на всех частотах из интервала 1-3 МГц. По мере дальнейшего повышения давления до 1.2 ГПа' «р(р> . монотонно понижается более чем на 60 -,'80У. (в зависимости от частоты).

Установленный характер зависимостей <*р(Р) соответствует современным моделям процесса трансформации пористой среды под давлением. В частности, достаточно широкое распределение пор по размерам и фактору формы может привести к наблюдаемому "затяжному" понижении а

4.3.5. Анизотропная ультраосновная' порода - ксенолит. В изученных образцах й 1/3, 1/6 отмечено весьма слабое затухание ультразвука на низких частотах * < 1.5 МГц ( <* < 0.15 см"Ъ при давлениях 0.2 - 1.0 ГПа. Вследствие этого на осциллограммах импульсов отчетливо проявляется длиннопериодная огибающая, особенно в образце л 1/3. Характерной особенностью зависимости «р(р>

для этого же образца является стабилизация затухания в интервале давлении 0.8 - 1.0 ГПа, что указывает на практически полное "залечивание" микратрещиновагосги и пористости, а также на отсутствие макронарушений, микропластичности и других процессов на

структурно)! уровне, Отмечена анизотропия затухания, выражающаяся в существенном Сдо 80°0 различии а в образцах 1/3 и 1/6, В целом,

V

затухание ультразвука в ксенолитах невелико по сравнению с другими изученными горными породами.

В п.4. 4 дана сравнительная оценка полученных" результатов с данными других исследователей в методическом и интерпретационном аспектах.

В заключении обобщены основные положения работы. Отмечено, "что разработанная методика обладает широкими возможностями как в в геофизике, так и в физике твердого тела, дефектоскопии. Установленные критерии количественного частотного анализа являются достаточно универсальными и могут найти применение при постановка лабораторных и натурных геоакуетических экспериментов при активном режиме ирозвучнвания с использованием импульсных акустических источников резонансного типа. Результаты изучения горных пород показывают высокую чувствительность затухания к происходящим в веществе физическим процессам.

Выводы.

1. Разработана методика исследования затухания упругих продольных волн в горных породах при высоких давлениях, основанная к:« амплитудно-частотном анализе ультразвуковых импульсов н принципе эталонирования. '

2. Установлен критерий количествен нот -о частотного анализа ультразвуковых импульсов, распространяющихся в составных трактах, в том числе в установках высокого давления типа "цилиндр-поршень". Для определения коэффициента затухания продольных волн по амплитудным спектрам могут быть рассмотрены только головнче фрагменты импульсов, соответствующие прямой продольнЪй волне и не искаженные интерференционными эффектами.

3. Оценена погрешность частотного анализа, обусловленная временным окном анализа и другими методическими факторами. В достаточно широком интервале частот амплитудные погрешности не превышают ± 10 X ; погрешности возрастают до ± 40 % и выше в области резонансной частоты ультразвуковых датчиков, а также на частотах нерегулярных малоамплитудных экстремумов. Установлена адекватность результатов определения затухания

при процедуре'сжатия временного окна частотного анализа и при линёйной' аппроксимации кривых, построенных по экспериментальным точкам при достаточно широких окнах анализа.

4. Исследованы частотные зависимости затухания продольных волн в меди и латуни, которые выбраны в качестве эталонов. Опыты проведены на образцах разной длины с применением различных аппаратурно-мегж'одических версий спектрального подхода: а) с фоторегистрацией импульсных осциллограмм, их представлением 'в цифровом виде и расчетом Ьпектров на ЭВМ ; б) с использованием прибора для исследования АЧХ и модулирующего устройства. ,В обоих случаях получены согласованные результаты.

5. Результаты определения <* в горных породах при высоких давленлях до 1.5 ГПа'Подтверждает высокую чувствительность затухания к микроструктуре вещества и ее трансформациям под давлением. В частности, в гранлтоидной породе неравномерной

зернистости отмечена особенность затухания- - минимум « пр»

р

'давлении Р « 0,8 ГПа . В кальцитсодержаяей породе наблюдается тенденция к повышений затухания при давлениях свыше 0,5 ГПа, что, по-видимому, является "ранним предвестником" полиморфного перехода 'кальцита при давлениях 1,4 - 1.6 ГПа. В высокопористой горной породе (известняк) установлены повышение ,« в интервале давлений 0.4 - 0. 6 ГПа и последующее значительное понижение ар в интервале давлений 0.6 - 1.2 ГПа. В ультраосновном ксенолите происходит oda.ee понижение а в

р

интервале давлений 0.2 - Т.О ГПа ; присутствие в породе ориентированных включений пироксена выражается в существенном, до 80 расхождении значений ар в образцах разной ориентации.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1) Определение частотных характеристик затухания упругих волн в образцах некоторых пород при высоких давлениях. - VII Всесоюзное совещание по физическим свойствам горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах. Тезисы доклада. - Ереван, 1985/ с. 32. (соавтор Г. А. Ефимова).

2) Некоторые динамические характеристики ультразвуковых продольных волн цри фазовом переходе кальцита. В.сб. : Актуальные проблемы геофизики. М. : Наука, 1935, с.161-168.

3) Определение затухания упругих волн в однородных материалах при высоких давлениях методом частотного , анализа. Тезисы докл. тематического симпозиума Проекта 3 КЛПГ. Будапешт,-I9S7, с. 71 - 7} (соавт, В.А.Калинин, Г.А.Ефимова).

4) Способ определения частотных характеристик затухания ущ . nix волн в горных породах. - A.c. СССР Jt 1384749. Бюл. Jí 12, 1988 (соавт. В.А.Калинин, Г. А. Ефимова ).

5) Способ определения фазовых скоростей упругих волн в горных породах при изменении их напряженного' состояния. A.c. СССР )й390256. Бюл. Jí 15, 1988 ( соавт. В.А.Калинин, Г.А.Ефимова).

6) Дисперсия скорости ультразвуковых волн в кальцитсодержащей горной породе при полиморфном превращении кальцит I г II. Деп! в ВИНИТИ 20. 11.84, « 7423.

7) Методы измерения затухания ультразвука в поликристаллической меди и латуни при квазигидростатическом сжатий до I ГПа. -Заводская лаборатория, 1989, $ 2, с. 63 - 66 (соавт. В.А.Калинин).

8) Spectral approach to determination of longitudinal elastic waves in rocks at pressures up to 1.5' GPa. In: High pressure investigations in geosciences. - Berlin:- Akademie-Verlag, 1989, p. 9 - 14 ( соавт. 6. А. Калинин, Г. А. Ефимова), .

9) Новые данные по 3atyxaHHB ■продольных волн в пористых анизотропных горных породах при высоких давлениях. Тезисы докл. итогового международного симпозиума Проекта II-3 КАПГ.-Махачкала, 1990, с. 34 (соавт. В. А. Калинин, Г.А.Ефимова, Е.В.Наумова).

10) Затухание ультразвука в горных породах при давлении до 1.5 ГПа: метод эталонирования и частотный анализ. - в сб. : Физика горных пород при высоких давлениях. М.: Наука, 1991, с. 79 - 85 (соант. Р. А. Калинин, Г. А. Ефимова).

Подписано в печать 14.11.91 . Формат 60 х 84/16

Печа.ть офсетная (.бъоя 1.0 п. п. Тирах 100 . ', Изд. N 59

Заказ ___

МП " йнфорисия'зьиэдаг" . Москва, ул. Авиамоторная,8 .