Действие упругих колебании на горные породы

В слоистых породах скорость упругих волн вдоль и поперек слоев различна, причем всегда v, > v±.

Если порода состоит из слоев двух типов, то скорость упругих волн перпендикулярно слоям в простейшем случае при их равных удельных волновых сопротивле­ниях может быть вычислена по суммарному времени прохождения волн через все слои

где l₁ и l₂ — относительные толщины слоев со скоростью звука со­ответственно v_T и v₂.

Скорость звука вдоль слоев при тех же условиях

где S₁ и S ₂ — площадь слоев в поперечном сечении.

В табл. 7 приведены коэффициенты анизотропии некоторых оса­дочных пород.

На скорость звука влияют также размеры зерен, слагающих породу. Как правило, скорость упругих колебаний в тонкозернистых породах больше, чем в крупнозернистых.

Значение скорости упругих колебаний в породах определяет такие их параметры, как удельное волновое сопротивление Z, коэф­фициент поглощения Ф, коэффициенты отражения К_э и преломления п (с увеличением v возрастают Z ж К_э, уменьшается Ф и абсолютное значение п). Поэтому, например, поглощение упругих волн вдоль слоистости всегда меньше, чем поперек, а с увеличением пористости и размера зерен пород происходит увеличение Ь. Поглощение раз­личных типов волн тоже неодинаково (см. приложение 11).

Рис. 23. Относительное изменение скорости продоль­ных волн при всесторонних давлениях: 1 — песча­ник; 2 — сиенит; 3 — доломит; 4 — метаморфический сланец; 5 — базальт; 6 — габбро.

Рыхлые породы прак­тически не оказывают со­противления сдвиговым усилиям, величина кото­рых определяется вну­тренним трением, поэтому в них, так же как и в жидкостях, могут распро­страняться в основном про­дольные волны. Чем боль­ше нарушенность массива пород (трещиноватость и т. д.), т. е. чем больше он приближается к рых­лому состоянию, тем мень­ше скорость поперечных волн и тем больше их по­глощение.

Увлажнение пористых пород приводит к изменению скоростей упругих волн в них. Если при этом не происходит размягчения, то скорость звука в пористой породе группы по строению 2.п упро­щенно можно вычислить через суммарное время прохождения упругой волны поочередно по минеральному скелету £„ и по порам t_n:

где v_n и v_K — скорости упругих волн соответственно в заполняющем поры веществе и в минеральном скелете породы.

Чем больше скорость звука в заполнителях порового простран­ства, тем больше суммарная скорость в образце породы. Ввиду того что скорость звука в воде и_ж почти в пять раз больше, чем в воздухе v_B, насыщение скальных пород водой приводит к относи­тельному увеличению скорости продольных волн. Однако даже у мак­симально насыщенных водой пород скорость волн будет ниже ско­рости в малопористых породах, так как и_ж меньше скорости звука в минеральном скелете.

Поперечные волны могут проходить только через минеральный скелет. Следовательно, v$ остается примерно постоянным для пори­стых пород любой степени увлажнения.

С увеличением давления на породу (особенно всестороннего) снижается ее анизотропность, возрастают упругие параметры и на­блюдается увеличение скорости распространения упругих волн. Одни и те же породы, залегающие на разных глубинах и подвержен­ные различному давлению, будут характеризоваться разной скоро­стью прохождения упругих волн.

Зависимость скорости звука от уплотнения более резко про­является у пористых и рыхлых пород (рис. 23) (группы пород по строению 2.1 и 3.1),так как давление на них оказывает отно­сительно большее уплотня­ющее действие. Так, у песчани­стого мергеля с исходной пори­стостью 25% скорость про­дольных волн при всесторон­нем давлении до 1000 кгс/см² увеличивается на 50—60%, в то время как у менее пористых она увеличивается всего на 10— 20% (с повышением давления до 4000 ат v_P для габбро воз­растает на 5—7%, для гра­нита — на 10—20%).

Подобные закономерности наблюдаются и при прохож­дении поперечных волн, но уве­личение их скорости с повыше­нием давления происходит мед­леннее и до определенного предела

При дальнейшем увеличении давления отношение — остается примерно постоянным.

Соответственно изменению скоростей упругих волн с увеличением давления изменяются другие акустические параметры: коэффициент поглощения уменьшается (для пористых пород на 15—35%), а удель­ное волновое сопротивление возрастает.

С повышением температуры скорость упругих волн изменяется аналогично изменению упругих параметров пород. При этом в боль­шинстве случаев скорость продольных волн уменьшается, а коэффи­циент поглощения увеличивается.

С понижением температуры влажных пород наблюдается скачко­образное возрастание скорости звука при переходе в область отрицательных температур, соответствующую замерзанию воды (рис.), так как скорость звука во льду составляет около 3300 м/сек, что в два с лишним раза больше, чем в воде. Кроме того, в мерзлых поро­дах происходит резкое увеличение скоростей поперечных волн.

Рис. 24 . Скорость ультразвука в мерзлых породах:

1 — песчаник; 2 — песок; 3 — глина

Упругие колебания низкой частоты достаточной мощности чаще всего приводят к тем же последствиям, что и механическое напряже­ние. При этом происходит усталостное разрушение пород. Возможен эффект уплотнения и сортировки рыхлых горных пород.

Особые явления наблюдаются при распространении в горных породах и жидкостях высокочастотных упругих колебаний (в том числе и ультразвука). Малая длина волн позволяет их концентри­ровать в узкий пучок. Это способствует получению высоких интен-сивностей звука с предельными амплитудами смещения и соответ­ствующему проявлению механических, тепловых, электрических и химических эффектов. Причиной этих эффектов являются вызван­ные ультразвуком колебания частиц, особенно продольные колеба­ния, связанные с деформациями сжатия и растяжения.

При прохождении ультразвука через жидкость возникает ка­витация. Когда в некоторых участках жидкости внутреннее давление р будет ниже статического ее давления р₀, происходит разрыв жид­кости. Жидкость испаряется и образуются кавитационные пузырьки, которые захлопываются сразу же, как только р станет больше р₀. Появлению кавитации особенно способствует наличие в жидко­сти инородных тел или пузырьков, являющихся как бы центрами ее возникновения. Вблизи этих центров силы притяжения между молекулами воды значительно ослаблены.

Кавитацию можно вызвать различными способами — механи­ческим (гидравлические удары, ультразвук), электрическим (элек­трический разряд в жидкости) и др.

Ультразвуковые волны создают в жидкости зоны растяжения и зоны сжатия. Кавитационные пузырьки появляются в зонах рас­тяжения. Кавитация вызывает эрозию поверхности твердых тел, находящихся в жидкости.

При частотах более 5 Мгц кавитация не наблюдается (процесс возникновения и исчезновения пузырьков не успевает завершиться). Кавитация в жидкости является причиной возникновения неко­торых эффектов, важнейшим из которых следует считать дисперга-цию (разрушение) твердых тел, расположенных в области распро­странения звука.

Скорость ультразвукового разрушения определяется прежде всего хрупкостью твердых тел. Чем больше хрупкость, тем при прочих равных условиях выше скорость разрушения. Поэтому легко дис­пергируются ультразвуком такие породы, как гипс, слюда, графит

и сера. Эффект диспергирования усиливается при добавке к воде поверхностно-активных веществ в количестве менее 0,2%.

Кавитация вызывает также дегазацию жидкостей и расплавов. Дегазация связана с понижением давления жидкости при растяже­нии и выделением вследствие этого газа.

Кавитация вызывает возникновение электрических и химических эффектов ультразвука. Из электрических эффектов основным яв­ляется люминесценция жидкости.

Химические эффекты ультразвука вызывают ускорение реакции, окисление, восстановление и конденсацию.

Из механических эффектов в жидкостях и газах следует отметить явление, обратное диспергации, — коагуляцию (осаждение) взве­шенных в воздухе, газах или жидкостях твердых частиц.

Ультразвук, проходя через жидкость, в которой взвешены части­цы породы, заставляет их совершать колебания, частота и амплитуда которых зависят от массы частиц. Это приводит к увеличению частоты соударений частиц, их слипанию, укрупнению и осаждению.

Упругие колебания звуковой и инфразвуковой частоты способны вызвать тиксотропию (разжижение) влажных глинистых пород. Колебания также снижают внутреннее трение рыхлых скальных пород, так как в результате вибрации связь между частицами ста­новится менее устойчивой.