Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу 		 

На первую страницу Геофизические методы исследования земной коры

10.2. Упругие и пьезоэлектрические свойства горных пород и сред

Основными упругими параметрами горных пород принято считать скорости продольных ($V_{p}$) и поперечных ($V_{s}$) волн и их поглощения ($b_{p}, b_{s}$), которые определяются упругими модулями ($Е, \delta, \mu_{с}, K_{с}$) и плотностью ($\sigma$) (см. 4.1, 4.2).

10.2.1. Скорости распространения упругих волн в различных горных породах.

Скорости распространения упругих волн являются определенным диагностическим признаком горной породы. Методы их определения делятся на лабораторные (измерения на образцах), скважинные (сейсмические и акустические наблюдения в скважинах), полевые (расчет скорости в результате интерпретации данных сейсморазведки).

Скорости распространения волн определяются составом, строением и состоянием горных пород, которые, в свою очередь, зависят от гранулометрического и минерального состава твердых частиц, глубины залегания, возраста пород, степени метаморфизма, плотности, пористости, трещиноватости, разрушенности, выветренности, водонасыщенности, нефтегазонасыщенности и других факторов.

Наименьшими скоростями ($V_{p}$) обладают рыхлые сухие пески (0,5 - 1 км/с), нефть (~1,2 км/с), вода (~1,5 км/с), глины (1,3 - 3 км/с), уголь (1,8 - 3,5 км/с). Большие скорости (3 - 6 км/с) у скальных осадочных пород (известняки, мрамор, доломит, соль и др.). Самые большие (4 - 7 км/с) - у изверженных и метаморфических пород.

Все остальные факторы, которые делают породу более массивной, сцементированной, консолидированной - например, водонасыщенность, замерзание, степень метаморфизма - делают $V_{p}$ больше. С увеличением раздробленности, трещиноватости, рыхлости, пористости ( при заполнении пор воздухом или газом) $V_{p}$ уменьшается. Нефтенасыщенные породы по $V_{p}$ мало отличаются от водонасыщенных. Для сильно рассланцованных пород характерно различие скоростей в разных направлениях (анизотропия): у них скорость на 10 - 20 % больше вдоль, чем вкрест напластования. Чем больше абсолютный возраст пород ($Т$) и глубина залегания ($h$), тем больше скорость. Для осадочных пород известна следующая эмпирическая формула зависимости скорости от этих факторов $V = k(Th)^{1/6}$, где $k$ - коэффициент пропорциональности.

Т а б л и ц а 4.1
Наименование породы или среды$V_{p}$ (км/с)
отдо
Воздух0,30,36
Почвенный слой0,20,8
Гравий, щебень, песок0,11,0
Вода1,431,59
Глина1,22,5
Песчаник1,5 (рыхлые)4,0 (очень плотные)
Сланцы2,05,0 (метаморфические)
Известняки, доломиты3,06,0
Лед3,04,0
Гранит4,56,5
Базальт5,07,0

В таблице 4.1 приведены примеры величин скоростей продольных волн в некоторых породах и средах, которые свидетельствуют о большом интервале их изменения для каждой породы и возможности одинаковой скорости у разных пород.

Скорости распространения поперечных волн ($V_{s}$) меньше, чем продольных ($V_{p}$). Отношение$ V_{p }/ V_{s}$ меняется для разных пород: от 1,3 - 1,6 (для высокопористых газонасыщенных), к 1,5 - 2 (для сцементированных скальных или водонефтенасыщенных) до 2 - 3 (для рыхлых плохо сцементированных типа л\"ессов, песков, глин). Этим отношением определяется коэффициент Пуассона ($\delta$).

10.2.2. Поглощение упругих волн в горных породах.

Кроме скоростей распространения упругих волн, которыми определяется кинематика волн, важным сейсмическим свойством горных пород является степень поглощения ими сейсмической энергии, что определяет динамические характеристики волн, и прежде всего их интенсивность и дальность распространения. Поглощение вызывается потерями упругой энергии за счет необратимых процессов в среде вследствие ее неидеальной упругости. По этой причине амплитуда, например, плоской гармонической волны $А$ экспоненциально убывает с расстоянием х, т.е. $A=A_{0} e^{-bx}$ , где $А_{0}$ - амплитудный параметр; $b$ - коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения, разный для разных пород, возрастает с ростом пористости, трещиноватости пород, с уменьшением глубины их залегания и водонасыщенности. В среднем у изверженных, метаморфических и сцементированных осадочных пород $b$ = 10-5 - 10-3 (1/м), у рыхлых осадочных $b$ = 10-3 - 0,5 (1/м).

10.2.3. Типы скоростей в слоистых средах.

В связи с разным строением слоистых сейсмических сред и границ в сейсморазведке используются следующие скорости (или типы скоростей) распространения упругих волн ($V_{p}$ и $V_{s}$).

  1. Истинная скорость $V_{ист}$ - это скорость волны в малом объеме породы. Она определяется путем ультразвуковых измерений на образцах.
  2. Пластовая скорость $V_{п}$ - это средняя скорость распространения упругих волн в каждом пласте изучаемого геологического разреза.
  3. Интервальная скорость $V_{инт}$ является частным случаем средней скорости для заданного интервала глубин.
  4. Средняя скорость $V_{ср}$ в пачке пластов - это скорость, определяемая по формуле

    $V_{ср} = \frac{{h}_{1} +{h}_{2}+{h}_{3} +\ldots}{{t}_{1} +{t}_{2} +{t}_{3} +\ldots},$

    где $h_{1}, h_{2}, h_{3}, \ldots$ - мощности отдельных пластов данной слоистой среды; $t_{1}, t_{2}, t_{3}, \ldots$ - времена пробега в каждом пласте, измеренные вдоль луча, перпендикулярного слоистости.

    Пластовая, средняя и интервальная скорости определяются по сейсмическим наблюдениям в скважинах.

  5. Эффективная скорость $V_{эф}$ - это некоторая средняя скорость, определяемая в результате интерпретации данных сейсморазведки методом отраженных волн в предположении, что скорость в толще, покрывающей отраженную границу, постоянна.
  6. Граничная скорость $V_{г }$ - это скорость распространения скользящей преломленной волны вдоль преломляющей границы. Она рассчитывается при интерпретации данных сейсморазведки методом преломленных волн.
  7. Кажущаяся скорость $V_{к}$ - это скорость распространения фронта любой волны вдоль профиля наблюдений. В любой точке профиля наблюдений она равна отношению приращения пути $\Delta х$ ко времени его прохождения волной $\Delta t$, т.е. $V_{к} = \Delta х/\Delta t$.

10.2.4. Сейсмоэлектрические свойства горных пород.

На изменении сейсмоэлектрических свойств горных пород основан сейсмоэлектрический метод, находящийся на стыке сейсморазведки и электроразведки. К сейсмоэлектрическим свойствам относят различные пьезоэлектрические модули. В минералах с асимметричным строением кристаллов (кварц, турмалин, сфалерит, нефелин и др.) под действием упругой деформации ($F$) на гранях возникают электрические заряды ($q$). Они связаны соотношением $q = dF$, где $d$ - пьезоэлектрические модули.

Пьезоэлектрические модули $d$ в зависимости от вида, направления деформации и направления поляризации для каждого минерала-пьезоэлектрика меняются во много раз. Действующая сила может иметь 9 составляющих $F_{i, j}$, где $i, j = x, y, z$, т.е. существует 9 компонент тензора механических напряжений, или деформаций. Объясняется это тем, что на каждую из трех граней кристалла, совпадающих с координатными плоскостями, может действовать сила, имеющая три составляющие, направленные вдоль осей координат. В связи с этим пьезоэлектрический модуль кристалла может определяться как этими девятью механическими тензорами, так и тремя составляющими вектора поляризации, совпадающими с осями координат. Таким образом, каждый кристалл может описываться 27 пьезоэлектрическими модулями ($d_{i, j, k}$, где $i, j, k = = x, y, z$). Кроме модуля d, имеются другие пьезоэлектрические модули, связанные с d через модуль Юнга, диэлектрическую проницаемость и иные константы. Максимальные пьезоэлектрические модули, измеряемые в кулонах на ньютон (кл/н), равны: у кварца от 0,6*10 -3 до 2*10-3, у турмалина от 0,3*10 -3 до 3*10-3, у нефелина от 0,5*10 -3 до 2*10-3. У большинства минералов $d$ не превышает 10-5 кл/н.

Пьезоэлектрические модули горных пород характеризуются не только наличием и процентным содержанием в породе минералов-пьезоэлектриков, но и их определенной упорядоченностью. Если кристаллы в породе ориентированы по направлению одного из элементов симметрии, то порода отличается повышенными значениями d и может быть отнесена к так называемым пьезоэлектрическим текстурам.

Кварцсодержащие породы, особенно если в них имеется горный хрусталь, отличаются наибольшими пьезоэлектрическими модулями, хотя они в десятки и сотни раз меньше, чем модули монокристалла кварца. По мере убывания $d$ от 10-3 до 10-6 кл/н эти породы можно расположить в следующим порядке: жильный кварц, кварцевые ядра пегматитовых жил, кварциты, граниты, гнейсы, песчаники. Объясняется это тем, что в изверженных породах в процессе их образования минералы более закономерно ориентируются относительно кристаллографических осей, в то время как в осадочных породах зерна кварца занимают беспорядочное положение.

Нефелинсодержащие породы обладают значениями $d$ от 10-6 до 10-4 кл/н. В породах, содержащих другие минералы-пьезоэлектрики, $d$ меньше 10-5 кл/н. Пьезоэлектрические модули горных пород с пьезоэлектрическими минералами определяются не только содержанием этих минералов и их пространственным положением, но и генезисом пород, их диэлектрической проницаемостью и упругими свойствами.

Сейсмоэлектрический эффект обусловлен электрокинетическими процессами влагосодержащих пород. Он определяется их минеральным составом, структурой и текстурой, а в основном пористостью, влажностью, составом и концентрацией растворенных в воде солей. С увеличением пористости и связанной влаги $d$ растет, а с увеличением свободной влаги $d$ либо мало меняется, либо уменьшается. Кроме перечисленных геолого-гидрогеологических факторов они зависят от электрических и упругих свойств этих пород. В целом пьезоэлектрические модули влагосодержащих пород меняются от 10-6 до 10-4 кл/н.

Назад| Вперед

Публикации с ключевыми словами: геофизика - Земля - земная кора
Публикации со словами: геофизика - Земля - земная кора
См. также:
Все публикации на ту же тему >>

Мнения читателей [5]
Оценка: 3.6 [голосов: 227]
 
О рейтинге
Версия для печати Распечатать

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце

Астронет | Научная сеть | ГАИШ МГУ | Поиск по МГУ | О проекте | Авторам

Комментарии, вопросы? Пишите: info@astronet.ru или сюда

Rambler's Top100 Яндекс цитирования