Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния методов определения трещиноватости горных пород 8
1.1. Трещины в горных породах, их характеристики и классификация 9
1.2. Методы выявления и оценки трещиноватости горных пород 19
1.3. Акустические методы исследования микротрещиноватости горных пород 29
1.3.1. Акустические методы исследования трещиноватости горных пород 29
1.3.2. Проблемы создания мощных широкополосных источников ультразвука 34
1.4. Современное состояние лазерных ультразвуковых методов диагностики горных пород
1.5. Выводы и постановка задач исследований 40
Глава 2. Термооптические источники ультразвука для диагностики геоматериалов на основе эффекта тепловой нелинейности 42
2.1. Теория лазерного возбуждения упругих волн в геоматериалах 42
2.2. Влияние эффекта тепловой нелинейности на параметры акустических импульсов, возбуждаемых лазерным излучением . 49
2.3. Лазерно-ультразвуковая установка ГЕОСКАН-02М 62
2.4. Экспериментальное исследование эффекта тепловой нелинейности 68
2.5. Термооптические источники сдвиговых волн для задач диагностики геоматериалов 70
2.6. Выводы 75
Глава 3. Исследование микротрещиноватости геоматериалов с помощью нелинейных эффектов трансформации формы мощных ультразвуковых импульсов 77
3.1. Теоретические модели нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии упругих волн с геосредой 77
3.2. Исследование нелинейной трансформации ультразвуковых импульсов при распространении в геоматериалах 86
3.3. Исследование нелинейной трансформации ультразвуковых импульсов при распространении в углях 98
3.4. Выводы 101
Глава 4. Исследование микротрещиноватости геоматериалов на основе лазерной ультразвуковой эхоскопии 102
4.1. Аппаратура и ее принцип работы для реализации режима эхоскопии геоматериалов 102
4.2. Эксперименты по эхоскопии образцов вулканической породы . 106
4.3. Локализация сети микротрещин в образце горной породы . 114
4.4. Выводы 120
Заключение 121
Список литературы
- Методы выявления и оценки трещиноватости горных пород
- Влияние эффекта тепловой нелинейности на параметры акустических импульсов, возбуждаемых лазерным излучением
- Исследование нелинейной трансформации ультразвуковых импульсов при распространении в геоматериалах
- Эксперименты по эхоскопии образцов вулканической породы
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ
Трещиноватость горных пород оказывает существенное, а в ряде случаев и определяющее влияние практически на все свойства горных пород и их напряженно-деформированное состояние. Неслучайно, оценка параметров тре-щиноватости рассматривается в качестве одной из приоритетной задач геоконтроля. Для решения этой задачи в настоящее время привлекается широкий спектр геофизических методов, среди которых наиболее перспективными считаются акустические методы, основанные на анализе изменения кинематических и динамических характеристик упругих волн при распространении их в трещиноватой геосреде. Для эффективного исследования акустическими методами микротрещиноватости необходимо использование высокочастотной области ультразвукового диапазона частот, в которой длина волны зондирующих сигналов становится соизмеримой с характерными размерами микротрещин. Однако для указанного диапазона характерно очень высокое затухание упругих волн, которое объективно ограничивает возможности ультразвуковых методов геоконтроля при изучении микротрещиноватости с использованием традиционных источников ультразвука на основе пьезоэлектрических преобразователей. В связи с этим актуальной является задача обоснования и разработки такого ультразвукового метода изучения микротрещиноватости, который был бы основан на возбуждении в геосреде высокочастотных ультразвуковых сигналов высокой мощности, базирующемся на использовании лазерных термооптических источников ультразвука.
Исследования, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, осуществлялись при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ -1467.2003.5). Они были проведены в рамках темы "Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принци-
Введение
пов ультразвуковой эхоскопии"в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГГУ, проводимых в 2002 - 2004 гг. по заданию Федерального агентства
v по образованию (номер госрегистрации 01200304882).
ь Цель работы заключается в разработке принципов возбуждения мощных ши-
рокополосных ультразвуковых сигналов в горной породе на основе термооптического эффекта в контактирующей с ней промежуточной генераторной среде со специально подобранными свойствами и обосновании на этой основе нового эффективного способа оценки микротрещиноватости. Методы исследований.
Численное моделирование трехмерных термооптических источников на
основе теоретических расчетов с учетом эффекта тепловой нелинейности.
) Экспериментальное исследование лазерного возбуждения ультразвука в
горных породах с использованием специально подобранных генераторных сред.
Компьютерная обработка в средах "Origin" и "Matlab", анализ и интерпре
тация полученных результатов.
Научная новизна исследований состоит:
в установлении закономерностей возбуждения мощных широкополосных
импульсов в горных породах без их разрушения в функции от свойств
промежуточной генераторной среды;
»
в установлении пороговых значений амплитуды распространяющихся в
} горных породах упругих импульсов, при которых начинают проявляться
v нелинейные эффекты;
/*
в установлении влияния микротрещиноватости горных пород на форму мощных акустических сигналов, распространяющихся в них;
в разработке специальной программы построения изображения сети микротрещин в образце горной породы на основе акустических сигналов,
ь полученных методом лазерной ультразвуковой эхоскопии.
Введение
Научные положения, выносимые на защиту:
Генерация мощных широкополосных упругих импульсов в горных породах может осуществляться на основе термооптического эффекта путем размещения на поверхности образца промежуточной генераторной среды. При этом генераторная среда должна обладать следующими параметрами и теплофизическими свойствами: температурным коэффициентом объемного расширения не менее 0,182 10_3 1/К; коэффициентом поглощения - не менее 100 см-1; поперечными размерами в 2-3 раза превышающими диаметр лазерного пучка.
Оптико-акустический эффект в сочетании с промежуточной генераторной средой с высоким коэффициентом температурного расширения позволяет возбуждать в образцах горных пород акустические сигналы с амплитудой от 10 МПа в частотном диапазоне 0,3 — 30 МГц без повреждения этих образцов. Распространение сигналов с такими характеристиками в микротрещиноватых средах сопровождается нелинейной трансформацией их формы, по которой можно судить о наличии микротрещин.
Мощные термооптические упругие импульсы, создаваемые в геоматериалах, имеют длительность менее 100 не, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность, величину мертвой зоны менее 0,4 мм и позволяют исследовать параметры микротрещин на образцах в режиме эхоскопии. С использованием отраженных акустических сигналов, полученных в результате сканирования по поверхности образца, можно получить изображение сети микротрещин в плоскости сканирования.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
большим объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах различных горных пород;
использованием при проведении ультразвуковой диагностики микротре-щиноватости геоматериалов современной аппаратуры, обеспечивающей по-
Введение
грешность измерений не более 1%, и широко опробованных компьютерных программ для обработки полученных экспериментальных данных;
хорошей воспроизводимостью установленных закономерностей информативных параметров при многократных измерениях;
сходимостью результатов диагностики микротрещиноватости, полученных лазерным ультразвуковым методом и методом оптической микроскопии.
Научное значение работы заключается в разработке метода локальной не-разрушающей диагностики микротрещиноватости горных пород на основе использования мощных лазерных термооптических источников ультразвука и широкополосных акустических приемников.
Практическое значение работы заключается в разработке "Методики контроля микротрещиноватости горных пород на основе мощных лазерных ультразвуковых источников", утвержденной в Московском государственном горном университете, а также в создании аппаратурного и программного обеспечения для ее реализации. Внедрение данной методики позволит значительно повысить информативность и надежность контроля нарушенности структуры горных пород.
Апробация работы. Основные результаты работы в период выполнения докладывались и обсуждались на V Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (весенняя открытая сессия, Кисловодск, май 2004 г.); V Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (осенняя открытая сессия, Сочи, сентябрь 2004 г.); V Всероссийской научно-технической конференции "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях"(ИАМП - 2004, Бийск, октябрь 2004 г.); конференции "Горная геология, геомеханика и маркшейдерия"(Донецк, октябрь 2004 г.); XV сессии Российского акустического общества (Нижний Новгород, ноябрь 2004 г.); Межвузовском семинаре "Экологическая безопасность и устойчивое развитие" (МГГУ - РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 7 декабря 2004 г.); XVI сессии Российского акустического общества (Москва, ноябрь 2005 г.);
Введение
симпозиумах "Неделя горняка-2004,2005"(МГГУ, Москва); международная конференция "FORUM ACUSTICUM 2005"(Будапешт (Венгрия), август 2005 г.) и научных семинарах кафедр физики и ФТКП Московского государственного горного университета.
Методы выявления и оценки трещиноватости горных пород
Помимо трещин в горных породах, рассмотренных в предыдующем параграфе, в них существуют другие типы пустот: межзерновые поры и каверны. Все они в той или иной степени присутствуют в горных породах и объединяются одним термином - вторичная пористость.
Проблема вторичной пористости в силу ее большой актуальности, особенно в нефтегазовой геологии, привлекла внимание многих исследователей. К настоящему времени разработано более двух десятков методов и методик поисков и оценки вторичной пористости [18]. Приведем краткий обзор и анализ основных из них, которые используются для определения трещиноватости, в том числе и микротрещиноватости. Группа электрических методов основывается на измерение удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород в скважинах. Метод двух растворов состоит в проведении измерений УЭС горных пород при заполнении скважины пресным глинистым раствором (технической водой), последующей замене его на минерализованный раствор (раствор более высокой плотности) и повторном измерении УЭС [19, 20, 21]. При этом используется явление более сильного изменения УЭС в коллекторах, содержащих трещины, по сравнению с коллектором с чисто межзерновой пористостью. Метод наиболее эффективен при выполнении следующих условий [22]. 1. Растворы по минерализации различаются не менее чем в 2—3 раза. 2. Время между сменой растворов и замером УЭС должно быть минимальным. 3. Блоки породы практически непроницаемы и изменение УЭС породы при смене растворов связано только с трещинами.
Метод двух растворов неэффективен в случае межзерновой пористости блоков, обусловливающей их проницаемость. Кроме того, обеспечивая выде Глава 1. Анализ современного состояния и проблемы методов ление сложных коллекторов, содержащих трещины, метод не позволяет осуществлять их идентификацию по преимущественной структуре порового пространства.
Метод временных замеров УЭС заключается в том, что в процессе бурения либо после его окончания производят через определенные временные интервалы измерения УЭС по стволу скважины. Вследствие различного характера проникновения фильтрата глинистого раствора в коллекторы, обусловленного прежде всего спецификой структуры их порового пространства, по-разному будет изменяться во времени УЭС коллекторов. Так, в коллекторах с межзерновой пористостью проникновение фильтрата благодаря образованию глинистой корки заканчивается сравнительно быстро (обычно в течение первых суток). В коллекторах сложного типа благодаря трещинам оно может продолжаться несколько суток, что будет сопровождаться соответствующим изменением УЭС. Для выделения и идентификации по структуре порового пространства коллекторов нефти, газа и пресной воды по данному методу бурение необходимо производить на минерализованном глинистом растворе или заменять применявшийся при бурении пресный раствор минерализованным, так как только в этих случаях будет иметь место изменение УЭС. Как следует из изложенного выше, метод временных замеров УЭС позволяет выделить преимущественно те коллекторы смешанного типа, в которых содержатся трещины. При выделении порово-кавернозных коллекторов он малоэффективен. К недостаткам метода относится длительность процесса временных измерений, и также необходимость разработки для каждого конкретного случая специального графика измерений, что не всегда удается.
Метод сопоставления коэффициентов пористости, определенных с помощью бокового и индукционного (специальной модификации) каротажа базируется на различном влиянии вертикальных и горизонтальных трещин на показания этих методов, что позволяет не только идентифицировать трещиноватость, но и определить преимущественную ее ориентацию в неглинистом карбонатном разрезе [23]. Метод неэффективен при выде Глава 1. Анализ современного состояния и проблемы методов лении порово-кавернозных коллекторов, а также порово-трещинных и порово-кавернозно-трещинных коллекторов с наклонной и хаотической трещиновато-стыо.
Метод измерения УЭС скеаоюинной эюидкости (резистивимет-рия) заключается в том, что в скважину через бурильные трубы закачивают некоторый объем жидкости с УЭС, резко отличающимся от УЭС глинистого раствора. При наличии в разрезе трещин за счет интенсивного ухода по ним заканчиваемой жидкости в данном интервале произойдет изменение УЭС сква-жинного флюида, что и будет отмечено резистивиметром. Метод позволяет идентифицировать только интервалы с сильно развитой трещиноватостыо (зоны поглощения глинистого раствора), поскольку при слабо развитой трещино-ватости поглощающие способности трещиноватых пластов близки к таковым для пластов с высокой межзерновой или каверновой пористостью. При наличии в разрезе нескольких трещиноватых интервалов с помощью данного метода удается выделить только самый нижний из них.
Электрические методы позволяют выявлять трещиноватость массива горных пород по результатам исследования скважин, но не дают возможность определять тип, структуру и параметры трещин.
Радиоактивные методы исследования скважин подразделяются на методы изучения естественной радиоактивности (гамма-методы) и искусственно вызванной радиоактивности, называемые ядерно-физическими или ядерно-геофизическими (гамма-гамма и нейтронные методы). В искусственных ядерно-геофизических методах образцы горных пород или стенки горных выработок, скважин и обнажений облучаются с помощью ампульных источников тех или иных радиоактивных элементов и их смесей или генераторов нейтронов.
Измерение интенсивности естественного гамма-излучения пород вдоль ствола скважины называется гамма-каротажом (ГК). Небольшая заглинизи-рованность скелета известняков увеличивает их хрупкость и способствует образованию тектонических трещин. Таким образом, положительные аномалии на диаграммах ГК могут указывать на наличие трещин и могут быть обусловлены глинистостью порового пространства или мелкими слоями глин, практически не влияющих на прочностные свойства известняков. В работе [24] высказывается предположение о возможном использовании повторных измерений ГК для выделения вторичной пористости. Оно базируется на явлении проникновения по трещинам глинистого раствора в сложные коллекторы, в результате чего чистые (не глинистые) трещиноватые интервалы со временем будут отмечаться увеличивающимися положительными аномалиями ГК. Очевидно, такое же явление будет иметь место и в случае межзерновой пористости за счёт образования глинистой корки и зоны кольматации. Для устранения неоднозначности необходимо привлечение других промыслово-геофизических методов.
Так как гамма - лучи почти полностью поглощаются слоем породы толщиной 1 - 2 м, а до 30% ядерной энергии не пропускается обсадными трубами, то скважинный радиометр может фиксировать гамма-излучение пород, расположенных в радиусе, не превышающем 0,5 м от оси скважины [25]. Увеличение диаметра скважины и наличие воды или бурового раствора в ней еще больше снижают радиус обследования.
Влияние эффекта тепловой нелинейности на параметры акустических импульсов, возбуждаемых лазерным излучением
Возможности применения акустических методов исследования геоматериалов ограничены наличием в них сильного затухания и рассеяния упругих волн, вызванное крайне неоднородной структурой и ее дефектами (поры, уплотнения, трещины, и др.). В связи с этим возникает необходимость в мощных широкополосных ультразвуковых источниках.
Повышение амплитуды возбуждаемых лазерным излучением акустических импульсов без повреждения контролируемого объекта возможно за счет использования находящейся на его поверхности промежуточной жидкой поглощающей среды с максимальным значением соответствующих теплофизических параметров (рис. 2.1) . Такая среда, поглощая лазерное излучение, испытывает тепловое расширение, являясь, таким образом, генератором упругих волн. При этом нагрев среды может составлять десятки градусов, и на процесс генерации ультразвука начинает оказывать влияние зависимость коэффициента объемного расширения от температуры. В работе [76], выполненной для одномерной модели, учет данной зависимости может приводить к увеличению амплитуды сигнала почти на порядок. Этот эффект получил название тепловой нелинейности [76, 71].
В данном параграфе предложена трехмерная теоретическая модель лазерно-ультразвуковых источников мощных широкополосных импульсов упругих волн, основанных на использовании эффекта тепловой нелинейности [77].
Амплитуда и спектр возбуждаемых лазерным излучением ультразвуковых импульсов в среде определяются ее коэффициентом поглощения света, интенсивностью лазерного излучения и показателем Грюнайзена рс /ср, характеризующий эффективность преобразования свет-звук. Наибольшим значением коэффициента поглощения света обладают металлы (a 105 см-1), но они проигрывают другим среда по температурному коэффициенту объемного расширения (/?(300 К) 16-Ю-6 К-1). Исключение составляет ртуть, у нее одно из самых высоких значений показателя Грюнайзена: 2,7, что на порядок больше, чем у воды. Однако, по предварительным оценка для одних тех же параметров лазерного излучения амплитуды акустических сигналов, возбуждаемых в ртути
Термооптические источники ультразвука и водном растворе туши, сравнимы. Кроме этого, ртуть относится к ядовитым веществам. Использование в качестве оптико-акустического генератора водного раствора туши предопределяется его свойствами, а именно: варьированием коэффициента поглощения света в широком диапазоне, наличием тепловой нелинейности и безопасностью в применении.
Для численных расчетов брались физические характеристики раствора туши, приведенные ранее, и следующие характеристики лазерного излучения, реализуемые на лазерно-ультразвуковой установке для диагностики геоматериалов ТЕОСКАН-02М", параметры которой Л TL, го и максимальное значение Етах составляют 1,06 мкм, 10 8 с, 1 -f-10 мм и 260 мДж/см2, соответственно.
На рис. 2.3 и 2.4 приведены временные профили линейной и нелинейной составляющих акустического сигнала при жесткой и свободной границах (г = t — r - безразмерное время в "бегущей" системе координат). Расчет проводился для точки на оси пучка с координатой Z равной 10 при значениях т о, а, и Е соответственно равных 1 мм, 200 см-1 и 210 мДж/см2. При данных условиях локальный нагрев среды составляет 10С и реализуется приближение дальней волновой зоны, в которой для жесткой границы (рис. 2.3) формируется двухполярный импульс, состоящий из фаз сжатия и разрежения, и трехполяр-ный (две фазы сжатия и фаза разрежения) - для свободной (рис. 2.4). Нелинейная составляющая сигнала запаздывает относительно линейной, что наряду с дифракцией приводит к несимметричному виду акустического импульса. Для того, чтобы нелинейный вклад был сравним с линейным при одинаковых условиях, в случае жесткой границы требуется меньшая плотность энергии в лазерном импульсе, чем при свободной. Длительность акустического сигнала определяется безразмерным коэффициентом RQ . Чем больше его значение, тем короче импульс.
Термооптические источники ультразвука По длительности составляющие акустического импульса также различаются, что отражается в их спектрах (рис. 2.5), которые получены при тех же параметрах, что и зависимости на рис. 2.3, 2.4. Модули спектров нормированы на их максимальное значение. Спектр нелинейного сигнала шире спектра линейного, и в случае свободной границы возбуждается более широкополосный сигнал.
На рис. 2.6 показаны диаграммы направленности акустического поля в зависимости от параметра Ro для двух типов граничных условий. При значении Ro = 20 происходит нагрев тонкого поверхностного слоя среды в виде диска (поверхностное поглощение, кривая 1), который затем возбуждает акустическую волну. Для Ro = 0,2 наблюдается объемное поглощение (кривые 4, 5), когда происходит равномерный прогрев среды по глубине, и источником упругой волны является цилиндрическая область тепловыделения. Кривые 2, 3 описывают промежуточный случай (Ro = 2). При одних и тех же параметрах лазерного пучка диаграмма направленности при поверхностном поглощении практически совпадает для жесткой и свободной границ. В то же время при объемном поглощении в случае жесткой границы диаграмма направленности значительно шире, чем для свободной.
Исследование нелинейной трансформации ультразвуковых импульсов при распространении в геоматериалах
Объектом исследования являлись кубические образцы карельского мрамора, карельского габбро и гранита с длиной ребра порядка 3 см. Например, предел прочности мрамора на одноосное сжатие составлял около 300 МПа. Все образцы были разбиты на две группы. В первую группу отбирались образцы по результатам выявления в них микротрещин методом лазерной ультразвуковой эхоскопии, описанной в главе 4. Вторую группу составили бездефектные, не содержащие трещин, образцы, изотропность которых подтверждали измеренные в них частотные зависимости коэффициента затухания и скорости распространения продольных волн в диапазоне частот 1-3,5МГц.
Образцы обоих групп подвергались ультразвуковому прозвучиванию на установке "ГЕОСКАН-02М"(глава 2, 2.3) с использованием разработанных ОАГ на основе водного раствора туши с целью изучения нелинейной трансформации формы акустических импульсов. Длительность лазерного импульса TL составляла 10 не, а его максимальное значение энергии равнялось 260 мДж. С помощью светофильтров энергия могла уменьшаться до 20 мДж. Радиус пучка составлял 5 мм. В результате поглощения лазерного импульса в генераторе (ячейка 1) возбуждались импульсы упругих продольных волн, длительностью 100 не и амплитудой давления от 10 МПа и выше. Для измерения параметров акустических сигналов, прошедших через образец использовался иммерсионный метод.
Исследование нелинейных эффектов Возбуждаемый оптико-акустическим генератором опорный импульс после прохождения через кювету с иммерсионной жидкостью представлял собой фазы сжатия и разрежения с соотношением амплитуд 5,2:1 (рис. 3.3). При этом верхняя граница спектра составляла 12 МГц. В специальном зажимном устройстве образец располагался таким образом, что изначально прозвучивалась область без микротрещин (кривая 1 на рис. 3.4). Рассеяние и дифракция вызывали значительное увеличение амплитуды фазы разрежения по отношению к фазе сжатия (их соотношение 1:2,4) и уменьшение амплитуды фазы сжатия. При этом в связи с рассеянием высокочастотной части спектра происходило удлинение сигнала в 3,2 раза, а спектр зарезался на 2,9 МГц. На основе информации о локализации трещины вторая область прозвучивания частично содержала начало трещины. В форме сигнала (рис. 3.4, кривая 2) наблюдалась нелинейная трансформация, которая проявлялась в сильном уменьшении амплитуды фазы разрежения (2,9 раза), сопровождавшееся ростом ее длительности от 0,341 мкс (рис. 6, кривая 1 - сигнал, прошедший бездефектную область) до 0,448 мкс. Длительность фазы сжатия при этом почти не изменялась, а ее амплитуда уменьшалась в 1,6 раза. В биполярном сигнале (рис. 3.4, кривая 3), прошедшем через середину трещины, происходило смещение по времени двух фаз относительно друг друга и существенное уменьшение амплитуды фазы разрежения. Присутствие горизонтального участка в акустическом треке (область W, кривая 3, рис. 3.4) отражал тот факт, что фаза разрежения распространяется с меньшей скоростью, чем фаза сжатия.
Исследование нелинейных эффектов Помимо этого проводилось исследование нелинейного искажения формы акустического сигнала в зависимости от его мощности (рис. 3.5). Амплитуда оптико-акустических импульсов варьировалась с помощью изменения поверхностной плотности энергии лазерного импульса. Исследования позволили обнаружить энергетический порог проявления эффектов нелинейной трансформации акустических сигналов на микротрещинах. Пороговая плотность энергии лазерного импульса для образцов мрамора с микротрещинами составляет 34 мДж/см2, при которой еще возможны нелинейные эффекты трансформации. Участки разделения фаз сжатия и разрежения в сигналах имеют различные уровни по амплитуде. По предположению это обусловлено тем, что импульс фазы сжатия наводит остаточное напряжение (сжимает микротрещину). Чем мощнее фаза сжатия, тем значительней остаточное напряжение.
Исследование нелинейных эффектов Вторая группа бездефектных изотропных образцов мрамора подвергалась циклическому одноосному нагружению (шесть циклов), с помощью которого наводилась искусственная микротрещиноватость структуры, и затем после снятия нагрузки проводилось исследование в этом направлении ее влияния на коэффициент затухания, скорость распространения и форму импульсов продольных волн. В каждом из шести циклов достигалось определенное максимальное значение напряжения: 1 - 30 МПа, 2 - 73 МПа, 3 -109 МПа, 4 - 261 МПа, 5 - 286 МПа, 6 - 300 МПа. Последний цикл нагрузки приводил к разрушению образца.
После первого цикла нагружения до 30 МПа в диапазоне частот 1-3,5 МГц были получены частотные зависимости скорости распространения и коэффициенты затухания продольных волн (кривые 1 на рис. 3.6, 3.7). Результатом второго цикла нагружения до 73 МПа явился рост скорости распространения продольных волн на 1,1% (кривая 2 на рис. 3.6), вызванный уплотнением образца. Этот факт подтверждается уменьшением на 0,18 мкс времени распространения сигнала по образцу. При этом изменение скорости в исследуемом диапазоне частот не значительно. На частоте 3 МГц коэффициент затухания уменьшился на 15% с ростом нагрузки от 30 МПа до 73 МПа (кривые 1, 2 на рис. 3.7). В третьем цикле на поверхности образца появились микротрещины, сопровождавшиеся акустической эмиссией. По отношению к первоначальным значениям скорость уменьшалась на 4% (кривая 3 на рис. 3.6), а коэффициент затухания увеличивался на 35% (кривая 3 на рис. 3.7). Во временном профиле сигналов (рис. 3.8), прошедших через подвергшиеся циклической нагрузке образцы, наблюдается ряд искажений. В качестве опорного сигнала использовался тот же сигнал (рис. 3.3), состоящий из фаз сжатия и разрежения, что и для первой группы образцов. Вследствие рассеяния и дифракции соотношение амплитуд фаз в акустическом сигнале, прошедшем через образец после первого цикла, составляло 1,6:1 (кривая 1, рис. 3.8). Дальнейшие нагрузки второго цикла значительных изменений в форму импульса не вносят (кривая 2, рис. 3.8). Третий цикл нагрузки (кривая 3, рис. 3.8) приводит к образованию микротрещин, что отражается в существенном уменьшении амплитуды фазы
. Исследование нелинейных эффектов разрежения (соотношение амплитуд двух фаз биполярного импульса - 2,2:1). Итогом пятого цикла нагружения стало возникновение макротрещины протяженностью более 1,5 см. После прохождения через трещину ультразвукового импульса, как и для трещиноватых образцов первой группы, появлялся горизонтальный участок между фазами, сопровождающийся уменьшением амплитуды фазы разрежения и ростом ее длительности. Так же во всем исследуемом частотном диапазоне снижалась скорость распространения продольных волн, и увеличивался коэффициент затухания. В шестом цикле образец разрушился.
Искусственная нарушенность структуры, помимо механической нагрузки, так же наводилась воздействием магнитным полем на образцы железистого кварцита, обладающего выраженными магнитными свойствами. Исследования образцов до и после магнитного воздействия показали, что увеличивается коэффициента затухания и уменьшается скорость распространения продольных волн в них во всем исследуемом диапазоне частот. При этом оценки максимального размера зерна в обоих случаях составляли 0,5 мм, поэтому рост коэффициента затухания не связан с изменением размера. Кроме этого, в акустических сигналах, прошедших через образцы, наблюдались похожие нелинейные искажения формы импульсов, что и у мрамора, что свидетельствовало о наличие микротрещин.
Эксперименты по эхоскопии образцов вулканической породы
Первоначально аппробация метода лазерной ультразвуковой эхоскопии была проведена на образцах вулканической породы при иследовании их степени однородности и дефектности и измерении скорости распространения продольных волн. Образцы представляли собой прямоугольные пластинки толщиной около 1 см и площадью поперечного сечения 23 см2. Измерения проводились по схеме дискретного точечного сканирования в узлах сетки на поверхности пластин с шагом 5 мм. В таблице 4.1 приведены характеристики трех образов, отобранных по результатам эхоскопии и расположеных по возрастанию степени дефектности: 1 - бездефектный, 2 - средней дефектности, 3 - сильной дефектности. Данные последних трех столбцов получены с учетом измерений во всех точках сканирования. Из таблицы видно, что с уменьшением степени дефектности образцов плотность и скорость распространения продольных упругих волн возрастает, а относительный разброс измеренных значений скорости снижается.
Причем, как и следовало ожидать, полярности этих импульсов противоположны, поскольку нижняя отражающая граница образца свободна. Часть сигнала, занимающая временной интервал от т\ = 4,75 мкс до r2 = 6,5 мкс, несущая информацию о структуре образца вдоль его толщины, имеет нулевой уровень без каких либо заметных выбросов. Это говорит об отсутствии значительных дефектов структуры в точке зондирования. Отметим, что нулевой уровень сигнала между опорным и донным импульсами имел место для всех точек зондирования образца № 1, что характеризует его структуру как однородную и бездефектную. Об этом же говорит максимальная скорость распространения упругих волн и минимальный ее разброс от точки к точке сканирования, а также наиболее низкое значение коэффициента затухания во всем контролируемом диапазоне частот (кривая 1 на рис. 4.5). Отметим, что получение частотной зависимости коэффициента затухания продольных упругих волн осуществлялось методом лазерной ультразвуковой спектроскопии по схеме сквозного прозвучи-вания образцов на установке "ГЕОСКАН-02М"(глава 2, 2.3)[118].
Временной участок от т\ до тз (см. рис. 4.3) акустического сигнала, полученного при эхолокации одной из характерных точек образца № 2, содержит осцилляции, свидетельствующие о наличии акустических неоднородностей в геоматериале. Среди них выделяется относительно крупный дефект, глубина залегания которого, с учетом (4.1.1) и (4.1.2), составляет ha- = hAtcr/At = /г(т2 — то)/(т4 — то) 4,5 мм, причем акустический импеданс окружающей геосреды меньше, чем акустический импеданс этого дефекта.
Для образеца № 3 вулканической породы осцилляции акустического сигнала (см. рис. 4.4), в интервале между опорным и донным импульсами (от Ті до ТА), максимальны. Преобладающая отрицательная полярность этих осцилляции (в частности, в моменты т2 и тз) свидетельствует о наличии дефектов структуры с более низким акустическим импедансом по сравнению с окружающей средой на глубинах hen = h(r2 — TQ)/(T5 — т0) 4,3 мм и ha-2 = h(r3 — 7о)/(т5 — то) «6,0 мм, соответственно. Вероятнее всего, дефекты структуры представляют собой поры, о чем косвенно свидетельствует наймень Глава 4. Лазерная ультразвуковая эхоскопия геоматериаловшая скорость продольных волн в этом образце и наибольший ее разброс от точки к точке.
Как видно из графиков, представленных на рис. 4.5, с уменьшением степени дефектности образцов коэффициент а затухания упругих волн в них существенно увеличивается. В результате верхняя граничная частота, на которой еще возможно ультразвуковое прозвучивание образца № 2, не превышает 6 МГц, а № 3 - 5 МГц, в то время как для образца № 1 частота составляет 10 МГц. Кроме того, увеличивается нелинейность частотной зависимости коэффициента затухания, а сама зависимость становится все менее плавной.
Акустический сигнал, полученный при эхолокации одной из точек образца № 2 вулканической породы: а - полный сигнал; б - фрагмент сигнала с десятикратным увеличением по оси ординат. Моменты времени: т0 = 3,98 мкс, т\ — 4,74 мкс, Т2 = 5,5 мкс, тз = 6,37 мкс, т± = 6,59 мкс.
Большинство методов, описанных в первой главе, определяют степень тре-щиноватости горных пород по косвенным признакам, при этом отсутствует информация о структуре и расположении сетей трещин. Те методы, которые позволяют изучать структуру сетей трещин, выполняют это с разрушением исследуемого образца.
В данном параграфе на основе метода и аппаратуры лазерной ультразвуковой эхоскопии, приведенных в предыдущих двух параграфах, выполнена локализация сети микротрещин в образцах карельского мрамора. Один из наиболее характерных образцов представлял из себя параллелепипед с размерами а = 30 мм, b = 26 мм, с = 28 мм (рис. 4.6).
Схема сканирования представлена на рис. 4.6. Рефлектометр перемещался по одной из поверхностей образца (плоскость XOY) вдоль линии, образованной пересечением плоскости сканирования 7г и плоскости XOY, и принимал отраженный сигнал от образца в точках этой линии. Количество точек определялось шагом сканирования и размерами образца. Полученные сигналы поступали на персональный компьтер, где с помощью программного пакета в режиме реального времени они обрабатывались и строилось изображение структуры плоскости, перпендикулярной поверхности образца (рис. 4.7,4.8).
Данные изображения (рис. 4.7,4.8) строились по следующему алгоритму. Для каждой точки сканирования из опорного сигнала (1, рис. 4.9а) и сигнала (рис. 4.96), полученного от образца, определялись с помощью быстрого преобразование Фурье их спектры и вычислялось отношение этих спектров. Затем это спектральное отношение умножалось на специальный фильтр (функция супергаусс f(w) = ехр(—( )ь —( )d) —ехр(—( ) ), значения а, 6, с, d, е, / задавались в программе) для уменьшения влияния шумового фактора. Далее от полученного массива чисел бралось обратное преобразование Фурье. Временная шкала полученного таким образом сигнала переводилась в пространственную путем умножения ее на скорость продольных волн, которая вычислялась для данного направления методом лазерной ультразвуковой спектроскопии [65] по причине отсутствия сигнала, отраженного от тыльной стороны образца, в акустическом треке рефлектометра. Кроме этого, во всех сигналах от образца обнаруживался "артефакт"(импульсы, приходящих на приемник в момент времени около 12 мкс, рис. 4.9; две белые полосы в нижней части изображения, рис. 4.7-4.8), вносимый приемным трактом. Затем из двухмерных массивов чисел (глубина сканирования, амплитуда сигнала) конструировали трехмерный массив чисел (глубина сканирования, координаты точек сканирования, амплитуда сигнала). Используя цветовое правило для амплитуд сигнала (максимуму ставится черный цвет, минимиму - белый, а промежуточным значения - соответствующая градация серого цвета), строилось чернобелое изображение плоскости сканирования (рис. 4.7,4.8).
На этих изображениях (рис. 4.7,4.8) четко прослеживается структура сети микротрещин. Применяя различные плоскости сканирования образца, можно вычислить глубину залегания, поперечные размеры трещин и расстояния между ними. Относительная погрешность параметров трещин определяется погрешностью скорости продольных волн, и составляет не более 10%.
