Лабораторная работа №5

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В ОБРАЗЦАХ ГОРНЫХ ПОРОД

Цель работы. Изучение метода определения скорости продольных и поперечных упругих волн. Освоение компьютерного обеспечения работы и получение реальной картины процесса распространения волны.

Краткая теория. Процесс распространения упругих колебаний описывается волновым уравнением:

, (1)

где - оператор Лапласа

- амплитуда упругого смещения.

По частотному диапазону упругие волны подразделяются на:

- инфразвуковые ( Гц)

- звуковые ( Гц)

- ультразвуковые ( кГц)

- гиперзвуковые ( МГц).

Кроме того, по отношению направления вектора колебательного перемещения относительного вектора распространения волны: - - скорость продольной волны; – скорость поперечной волны и – скорость поверхностной волны. Продольные волны вызваны продольными деформациями (модуль Юнга, ); поперечные - деформациями сдвига твердого тела. Продольные и поперечные волны являются объемными волнами. Они распространяются вглубь тела. Плоские поверхностные волны распространяются по поверхности тела.

Основные характерные параметры упругости, используемые в геофизике, это:

- скорость распространения упругой волны , ;

- коэффициент поглощения упругих колебаний ;

- волновое сопротивление .

На контактах разных горных пород возникают явления отражения и преломления упругих волн, которые характеризуются соответствующими коэффициентами.

Обычно под скоростью волны понимают скорость распространения ее фронта.

Фронт волны – это геометрическое место точек среды, в котором в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение.

На скорость распространения упругих волн оказывают влияние слоистость горных пород, плотность среды, размеры зерен, слагающих породу. Как правило, скорость распространения волн в тонкозернистых породах больше.

Коэффициент анизотропии скоростей в осадочных породах составляет 1,1-1,3.

Амплитуда упругих колебаний убывает по мере удаления от источника излучения по экспоненциальной зависимости

, (2)

где - коэффициент поглощения, [м^-1].

Коэффициент поглощения упругих колебаний зависит как от свойств горных пород (упругих, тепловых, коэффициента внутреннего трения), так и от частоты колебаний . Зависимость для большинства горных пород – линейная. В глинистых горных породах и суглинках .

Величина коэффициента поглощения всегда больше в тех породах, в которых скорость упругих колебаний меньше.

Скорость распространения продольной волны в тонкой пластине будет равна:

, (3)

где - плотность горной породы (г/см³); - коэффициент Пуассона.

Если , то (4)

Скорость распространения упругой волны в тонком стержне будет:

(5)

При этом наблюдается всегда следующее соотношение скоростей:

.

Таким образом, в породах определяется упругими свойствами горных пород и плотностью . Она практически не зависит от частоты .

Максимальное значение скорости - у малопористых горных пород, сложенных из темноцветных минералов, имеющих большой модуль Юнга (например, в габбро, перидотитах, базальтах, скарнах составляет 6000-7000 м/с).

Таким образом, скорость распространения упругих колебаний является важным и весьма информативным параметром. На его измерении основан акустический каротаж, а также сейсмические инженерно-геологические исследования, изучение глубин земной коры и т.д.

При выполнении работ по акустическим измерениям полезна информация об акустических свойствах воды. Поэтому приводим Табл. 1.

Таблица 1

Акустические параметры фаз воды

Фаза	Плотность , кг/м3	Скорость продольной волны , м/с
Вода
Воздух	1,29
Лед		3200-3300

Методы измерения скорости упругих волн

Для измерения скорости упругих волн при геофизических исследованиях используется динамический метод, заключающийся в формировании резонансных колебаний в образце горной породы (например, с помощью стоячих волн); либо способ «критических углов» на образце тонкой пластинки в жидкой среде; или с использованием ультразвуковых импульсов и фиксации времени их прохождения, или путем сопоставления результатов прохождения сигнала через образец и эталонную среду (воду).

Более высокую точность измерений дают лабораторные методы. Однако, в этом случае большая ответственность ложится на отбор наиболее представительной партии образцов горных пород. Ибо результаты исследований очень сильно зависят от воспроизведения -условий залегания горных пород, их водонасыщенности, состава, текстурно-структурных особенностей, и от их изменения, возникающего при каротаже.

Поэтому существуют специальные инструкции по правильному выбору и подготовке образцов горных пород к измерениям в лабораторных условиях.

В данной лабораторной работе используется звуковой определитель скорости распространения упругих волн в образцах горных пород (прибор «УЗОР-2010»).

«УЗОР-2010» предназначен для определения скорости распространения упругих акустических волн (продольных и поперечных) в образцах горных пород при сквозном прозвучивании.

Поиск по сайту: