Введение к работе
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 XIX века используется микроскоп. После введения в мик-скоп в 1828 г. Уильямом Николем поляризаторов оптические методы вяли 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, ДнсНая, С.Г.Лехницкого, Г.И.Петрашеня, С.14.Рытова, Ю.В. :зниченко, Ф. И. Федорова и др.
Потребность в разработке экспериментальных методов изучения ругой анизотропии горных пород очень значительна - без них не жет быть адекватно осуществлена интерпретация данных геофизичес-ій 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, применяемому 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.Вегмана, Э.Дьелесана, Г.Ко-ского, С.Кремпина, У.Мэзона, Д.Руайе, Е.Скучика, Д.Томсена, Да.Э. йта, Л.М.Бреховских, Е. И. Гальперина, К.К.Ермилина, Б. М.Каштанэ, В.Крауклиса, А.Л.Левшнна, В.Е.Лямова, Ф.М.Ляховицкого, Л.А.МЪлотко-, М.В. Невского, В. їй Прохорова, Н.Н.Пузырева, Е. М. Чеснокова к др. известных, как наиболее производительный и точный, пригоден ди-мический ультразвуковой метод, быстрое совершенствование которо-стало возможным благодаря работам К.С.Александрова, Б.П.Белико-, И.Н.Ермолова, Г.Т.Продайводы, Т.В.Рыеовой, О.И. Силаевой, С.Я. колова, О.Г.Шэминой, В.Л.Шкуратника, Д.С.Е1райбера, 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.Нура, Р.Симмонса,
Р.Т.Смита, В.Фойгта, Г.А.Буденкова, А.Е.Гузя, Ф. В. Мах орта, Е.Г.Ни-кийоренко и др. С применением динамических методов накоплен большой фактический материал о распространении упругих волн & трещиноватых, неоднородных гетерогенных средах. (Х.Ф.Беннет, А.Г.Дугаевс-кий, М.П.Воларович, Н.Е.Галдин, Н.Б.Дортман,' А.М.Епинатьева, Е.В. Кару с, В. А. 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, Дж.Б. Уолш, А.К.Урупов). Однако разработанные и использованные перечисленными авторами методы не обладают необходшлой общностью их применения, например, они не годятся для всех типов анизотропных сред. 3 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, процесс&чи 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 горних пород с целью получения полных и достоверных исходных данных для оценки некоторых параметров истории геологических объектов, интерпретации результатов геофизических работ, решения задач горной геомеханяки. 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 экспериментальн них наблвдений их упругой анизотропии, обзор существующих проблем на пути количественного определения параметров упругой анизотропии на образцах горных пород, позволили сформулировать 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).
3 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 акустополяризациогшых наблюдений, многостадийная последова-
ельностъ определения параметров анизотропии и констант упругости,
/іагностпки сред кубической, псевдогексагональной, тетрагональной
ромбической симметрии.
-
Созданы принципиально новые приборы для проведения измере-;ій на всех стадиях акустополяризационных наблюдений.
-
Изучены особенности упругой анизотропии сравнительно слабо змененных вулканогенных пород.
-
Изучены особенности упругой анизотропии древних, сильноме-шор<|іизованішх 'пород.
-
Оценены связи меиду типом симметрии, степеньв анизотропии устойчивости пород в напряженном массиве.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Акустополярископия является именно тем методом, который эобходим и достаточен для определения числа и пространственной іправленности элементов симметрии, параметров эффекта линейной шзотропии поглощения, всех констант упругости и типа симметрии шзотрошшх сред.
-
Зффект линейной анизотропии поглощения (э№)ект акустпчес-)Го дихроизма) проявляется в средах, содержащих ориентированные шейные или плоскостные структурные элементы и их комбинации.
ід структурных элементов может быть выявлен на основе объемных . измерений.
-
С использованием преобразования пучков продольных волн в шеречные на плоской границе раздела двух акустически различаются сред с углом падения больше критического для проходящей про-ільной волны, могут быть получены эффективные преобразователи [сто поперечных линейнбполяризованных колебаний.
-
Устройство, содержащее излучатель и приемник чисто попе-!чных линейно-поляризованных колебаний, держатель образна я прис-ісобление для его поворота (акустополярископ) пригодно для опре-іления направленности проекций элементов симметрии, параметров Фекта линейной анизотропии -поглощения упруго анизотропной среды.
-
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 степей эффекта линейной анизотропии поглощения включает данный массив. Эффект линейной анизотропии поглощения (эфйект акустического дихроизма) проявляется на ультразвуковых частотах более чем в половине разновидностей кристаллических горных пород..
-
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.
-
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.
-
Создан акустополяризационный 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 тдп симметрии, оценить степень упругой анизотропии, который является новым научным направлением, имекщим строго очерченные задачи и законченность.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Зпервые обнаружено широкое распространение, преимущественно в метаморфических горных породах, эффекта линейной анизотропии поглощения (акустического дихроизма). Выявлены две его основные модели,- плоскостная и линейная.
-
Предлокен, 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.
-
Впервые получены и изучены полные характеристики упругой анизотропии кристаллических пород инфраструктуры Воче-ламбинского архейского геодинамичеекого полигона, глубинных пород Кольской (до 12 км) и Уральской (до 4 км) сверхглубоких сквакин.
-
Установлено, что механизм дезинтеграции глубинных поликристаллических пород при извлечении их на земную поверхность, в основном, состоит в разрушении мея- и внутрезеренных контактов за счет анизотропии упругих свойств минеральных зерен и разгрузки от геостатических напряжений.
Принципиально новые приборы защищены авторскими свидетельствами СССР.
Практическая значимость.
-
Обоснован, разработан и внедрен акустоггаяризационный метод, как набор необходимых этапов и операций, включающих требования при подготовке образцов, наиболее рациональные приемы проведения акустополярископии, определения величин скорости распространения Р- и S-еолн, анализа типа симметрии.
-
Разработан (рассчитан, изготовлен, используется)ряд модификаций преобразователей чисто поперечных линейно-поляризованных колебаний.
-
Разработан (рассчитан, изготовлен, используется) ряд совмещенных и комбинированных преобразователей, излучающих и принимающих как Р-, так и S-волны. Совмещенные преобразователи повышают производительность труда на<-40%.
-
Разработан (изготовлен и используется) ряд акустополярис-копов'с подвижной рукоятью и поворотной платформой ка 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 геодинамических процессов. Обнаруженная устойчивая корреляция между степенью проявления анизотропии упругих свойств и вывалообразованием, кавернозностью стволов скважин может быть использована при прогнозировании устойчивости скважик, 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 скорректировать 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 10 000 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.Душанбе ; 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 НТО "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 ПечорНИПИНефть, г.Ухта ; Воронежской геолого-геофизической экспедиции, г.Воронеж, и других органи-
Ї8ЦИЯХ..
Апробация работы. ,
Основные результаты работы и ее основные положения докладывались на Ш 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,I984X сонференции "Применение геофизических методов для изучения скаль-шх оснований" (г.Солнечногорск, 1985), Ш семинаре по горной гео-зизике (г.Батуми, 1985), П международном рабочем совещании по :ейсмической анизотропии (Москва, 1986), ІУ Всесоюзном семинаре ю 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 і массиве горных пород (май 1990), XI Всесоюзной акустической кон-іеренции (Москва, 1991), Презентации Кольской сверхглубокой сква-ины (г.Заполярный, 1991) и других.
Отдельные приборы, их комплексы, демонстрировались на темати-іеских выставках "Научные достижения ученых Кольского полуострова"-ВДНХ СССР, 1981), "Акустика - человеку" (ВДНХ СССР, 1983), Между-іародной выставке к семинару "Сверхглубокое континентальное буре-ие и глубинные геофизические исследования (Ярославль, 1968), Международной выставке "Наука-88" (ВДНХ СССР, 1988), тематической «ставке "Акустика - человеку" при XI ВАК (Москва, 1991) и др.
Структура и объем работы.