Амплитудно-зависимый гистерезис скорости волны в горных породах в широком диапазоне частот: экспериментальное исследование

Это исследование относится к области физики горных пород (Rock Physics). За последние годы в физике твердого тела и материаловедении появились новые знания о микропластической деформации различных материалов, в том числе горных пород. Эти данные получены с помощью высокоточных измерений деформации на микро- и наноуровне. Сам факт существования мало изученного в науках о Земле свойства горных пород требует изучения возможного влияния микропластичности пород на распространение сейсмических и акустических волн. Исследования проведены по трем альтернативным методикам и при различных условиях наблюдения. Полевые измерения проведены в зоне малых скоростей в межскважинном пространстве на проходящих волнах частотой (240-850) Гц. Лабораторные измерения выполнены на образцах песчаника на проходящих (6,8 кГц) и отраженных волнах (1 МГц) при деформации (10-8-10-6). Проявления микропластичности зарегистрированы с использованием высокоразрешающей записи сигналов с временем квантования tквант = 1 мкс - 40 мкс и 32,5 нс. Вариация амплитуды волны осуществлялась по замкнутому циклу: дискретное увеличение амплитуды от минимума до максимума и возврат к исходной величине (А1+ → А2+ → … Амакс … → А2- → А1-). В этом амплитудном диапазоне имеет место амплитудный гистерезис, признаком которого является неравенство скоростей волн на восходящем и нисходящем амплитудном курсе. Этот эффект зарегистрирован для всех трех методов измерения на разных частотах. Однако амплитудный гистерезис скорости волны отсутствует только в случае измерений при полном водонасыщении суглинков. Наибольшее амплитудно-зависимое изменение скорости волны достигает 2 % (с точностью 0,02 %), а изменение величины затухания составляет 5 %. Причиной такого эффекта может быть микропластическая неупругость, признаками которой являются амплитудные плато, располагающиеся внутри формы волны. Амплитудный микрогистерезис формирует общую картину амплитудной зависимости скорости волны в широком амплитудном диапазоне. Представлены предложения возможного применения полученных данных для решения некоторых прикладных задач.