Введение к работе
Актуальность. К числу актуальных задач физического материаловедения и геофизики относится изучение анизотропии свойств кристаллов, горных пород, конструкционных материалов.
Во многих исследованиях показано, что вещество литосферы Земли анизотропно и неоднородно. Кора Земли отделена от мантии резкой сейсмической границей (граница Мохо), на которой скорости сейсмических волн и плотность скачкообразно возрастают. Анизотропия земной коры является результатом существования кристаллографических текстур породообразующих минералов, а также ориентированных трещин и пор, присутствующих почти во всех горных породах. Современное развитие сейсмологии привело к необходимости учета анизотропии упругих свойств геологических сред.
Изучение отражения и преломления упругих волн от границ раздела изотропных и анизотропных сред является актуальной проблемой глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) и сейсморазведки. В 1995 году в районе Чили был выполнен крупный проект сейсмических исследований CINCA95. В рамках этого проекта было отработано три наземно-морских профиля для ГСЗ. Основным результатом ГСЗ по профилю 7-CINCA95 является скоростной разрез земной коры, построенный по продольным сейсмическим волнам. Дополнительный анализ полученных материалов показал, что в волновом поле наблюдаются не только продольные, но и отраженные и преломленные поперечные волны. Данные ГСЗ получили весьма приближенную интерпретацию в связи с отсутствием надежной методики и точной аналитической базы для интерпретации данных полевых наблюдений.
Вопросы отражения и преломления плоских упругих и электромагнитных волн на плоской границе раздела изотропных сред хорошо изучены. При переходе к анизотропным средам эти задачи существенно усложняются, особенно для упругих волн. Действительно, в заданном направлении в кристалле могут распространяться три упругие волны с разными скоростями. Направления смещения в этих волнах в общем случае не параллельны и не перпендикулярны волновой нормали, а энергия волн переносится в направлениях лучей, которые некомпланарны. Такие особенности усложняют задачу, в которой определяются скорости, поляризация, число и направления распространения отраженных и преломленных упругих волн на границе раздела анизотропных сред.
В научной литературе по акустике и сейсмологии постоянно отмечается сложный характер распространения упругих волн в средах с границами раздела изотропных и анизотропных сред. Так, теоретический анализ прохождения упругих волн через границу раздела анизотропных сред показал, что при определенных углах скольжения следует ожидать тройное расщепление отраженных и преломленных волн. Однако эксперименты по наблюдению расщепления упругих волн при прохождении через контакты различных композиционных материалов и горных пород отсутствуют.
В материалах, обладающих кристаллографическими текстурами, особен-
ности распространения квазипродольных и квазипоперечных упругих волн исследованы теоретическими и акустическими методами. Отмечено, что модельные значения коэффициента анизотропии скоростей квазипродольных волн, рассчитанного для текстурированной горной породы, существенно ниже значений, полученных из прямых ультразвуковых измерений. Есть данные, указывающее на то, что в аксиально-анизотропной среде сосуществуют связанные волны с квазипродольной и квазипоперечной поляризациями, распространяющиеся с разными скоростями. Квазипродольная и квазипоперечная волны обе содержат и продольную и поперечную составляющую, что и может быть одной из причин, объясняющих расхождение экспериментальных и модельных результатов.
Актуальность данной работы определяется необходимостью теоретических и экспериментальных исследований особенностей распространения упругих волн через границу раздела различных изотропных и анизотропных сред в связи с проблемами геофизики и физического моделирования.
Выполненная работа является частью исследований, проводимых по гранту РФФИ "Теоретические и экспериментальные исследования особенностей распространения упругих волн в анизотропных текстурированных горных породах" (№ 10-05-00722).
Цель и задачи работы. Целью работы является анализ результатов теоретического и экспериментального моделирования сейсмоакустических эффектов, возникающих при распространении упругих волн через изотропные и анизотропные среды с границами раздела.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
провести теоретические исследования прохождения упругих волн через границу раздела анизотропных текстурированных сред. Исследовать прохождение упругих волн через границу раздела анизотропных сред с разными векторами анизотропии. Рассмотреть частный случай задачи анализа волновой картины при отражении упругих волн от свободной поверхности анизотропной среды, когда вектор анизотропии лежит в плоскости падения. Изучить особенности волновой картины упругих волн в анизотропных средах с одним вектором анизотропии при их преобразовании в поверхностные;
теоретически рассчитать зависимости скоростей распространения преломленных упругих волн от их направлений распространения в слоистых средах оргстекло-кварц и оргстекло-графит;
теоретически рассчитать и построить стереографическую проекцию пространственного распределения скоростей квазипродольных упругих волн, проходящих через поликристаллический пористый графит;
провести пробные эксперименты на модельных образцах с хорошо известными свойствами для оценки условий, при которых возможна регистрация эффекта расщепления продольных и поперечных упругих волн, распространяющихся через границу раздела изотропной и анизотропной сред;
для решения задачи в предыдущей формулировке использовать экспериментальные данные нейтронной дифрактометрии и методы ультраакустики, в частности, метод ультразвукового пространственного зондирования;
экспериментально исследовать распределение скоростей квазипродольных упругих волн при прохождении через образцы поликристаллического пористого графита, а также распределение времени пробега упругих волн при прохождении через границу раздела изотропной и анизотропной сред (оргстекло-кварц и оргстекло-графит);
Объекты и материалы исследования. При теоретическом моделировании волновых картин, возникающих в двухслойных средах с одной границей раздела, рассматривались общие случаи, когда один слой является по своим упругим свойствам изотропным, а другой анизотропным, или когда оба слоя анизотропны, но с различными коэффициентами анизотропиями.
Основными объектами исследования являются модели изотропно-анизотропных сред с границами раздела. Для приготовления сборных модельных образцов были выбраны монокристаллический синтетический кварц, поликристаллический пористый графит и стекло.
Для экспериментального моделирования материалы подбирались с учетом следующих требований:
материалы должны быть доступны и хорошо изучены с точно определенными характеристиками физических свойств;
в одном случае анизотропия обусловлена кристаллической структурой (монокристалл), в другом анизотропия создавалась в поликристаллическом материале за счет наличия кристаллографической текстуры и преимущественной ориентировкой несферических пор и микротрещин;
материалы должны иметь высокотехнологичные качества, то есть обладать хорошей прочностью при механической обработке с целью придания образцам необходимой формы;
в поликристаллическом материале должна быть измеренной кристаллографическая текстура, а так же суммарный объем порового пространства;
материалы должны обладать невысоким акустическим сопротивлением и слабо влиять на затухание акустических сигналов при распространении ультразвуковых волн.
Всем этим требованиям удовлетворяли кварц и графит как среды, обладающие анизотропией упругих свойств, оргстекло позволяло моделировать изотропные среды различных форм и размеров.
Методы исследования. Теоретическое моделирование прохождения упругих волн через границу раздела изотропных и анизотропных сред было проведено на основе решения уравнения Кристоффеля с учетом граничных условий. Использованы оригинальный метод описания упругих свойств с помощью вектора анизотропии и классический метод описания анизотропии с помощью тензора упругости.
Экспериментальное решение поставленных задач проводилось с помощью
метода ультразвукового пространственного зондирования1. Для обработки данных акустических экспериментов применялись метод статистики высокого порядка и метод анализа отношения амплитуд в коротком и длинном временных окнах.
Научная новизна. Впервые проведены теоретические исследования прохождения упругих волн через границу раздела анизотропных сред с использованием оригинального метода описания анизотропии с помощью вектора анизотропии.
Впервые рассмотрен частный случай задачи анализа волновой картины при отражении упругих волн от свободной поверхности анизотропной среды, когда вектор анизотропии лежит в плоскости падения. При этом установлено, что отражение квазипоперечной волны от свободной поверхности, когда вектор поляризации и вектор анизотропии лежат в плоскости падения, характеризуется тремя критическими углами скольжения.
Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования прохождения упругих волн через границу раздела оргстекло-кварц и оргстекло-графит. При моделировании распространения упругих волн в этих двухслойных средах выявлено, что на границе раздела в общем случае происходит расщепление падающей упругой волны: двойное отражение и тройное лучепреломление. Полученные экспериментальные результаты в общем удовлетворительно совпадают с теоретическими расчетами.
Научная и практическая значимость работы. Полученные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные результаты важны для развития представлений о закономерностях распространения сейсмических волн в литосфере Земли, ультразвука в слоистых неоднородных средах и др.
Явление расщепления падающей волны на границе раздела различных анизотропных сред может стать основой для разработок физических механизмов возникновения обменных волн в земной коре, наблюдаемых при глубинном сейсмическом зондировании.
Полученный факт, что при уменьшении угла скольжения падающей волны некоторые расщепленные волны преобразуются в поверхностные, может являться одним из факторов аккумуляции энергии в поверхностной волне в таком разрушительном природном явлении, как землетрясение.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты теоретических исследований отражения квазипоперечной волны от свободной поверхности, когда вектор поляризации и вектор анизотропии лежат в плоскости падения;
построение сечений поверхностей волновых векторов для систем двух слоев оргстекло-кварц и оргстекло-графит;
1 Экспериментальная часть работы проводилась в Лаборатории нейтронной физики им. И.М.Франка Международной межправительственной организации "Объединенный институт ядерных исследований".
экспериментальные результаты распределения времени прихода квазипродольной волны на верхнюю поверхность кварца двухслойного образца оргстекло-кварц;
сопоставление экспериментальных значений времени прихода квазипродольной волны на верхнюю поверхность кварца двухслойного образца оргстекло-кварц с теоретическим расчетом;
вывод о сходимости экспериментальных значений времени прихода квазипродольной волны на поверхность графита двухслойного образца оргстекло-графит с теоретическим расчетом.
Достоверность результатов Полученные теоретические и экспериментальные результаты согласуются с разработанными ранее исследованиями, опубликованными в научной литературе.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XIII научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2009; XXXII General Assembly of European Seismological Commission, France, 2010; XV научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2011; международная конференция «Исследование текстуры и внутренних напряжений методом дифракции нейтронов», Дубна, 2011; 34-й ПКК по физике конденсированных сред, Дубна, 2011; XVI научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2012.
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из которых три статьи - в периодических изданиях, определенных перечнем Высшей аттестационной комиссии.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (103 наименования).
Диссертация содержит 120 страниц, 23 рисунка, 3 таблицы.
