Выявление элементов упругой симметрии в образцах анизотропных горных пород методом рентгеновской томографии

Упругая (сейсмическая) анизотропия разного ранга исследуется давно и разными методами, с вариациями используемых частот и длин волн. Признаки упругой анизотропии регионального масштаба (по скорости распространения сдвиговых волн в том числе) отражены в работе Г. В. Егоркина [3]. Для определения упругой анизотропии в образцах малого размера применяют акустополяриско-пию (акустополяриметрию) [1] — метод ультразвукового неразрушающего анализа. Общая черта данных работ [1, 3] в том, что пространственные вариации (анизотропия) упругих свойств представляются в виде круговых диаграмм, это удобно для объёмного отражения систем тектонических нарушений.

В последнее время всё чаще появляются работы с использованием метода рентгеновской томографии (РТ) в геологии [7, 8]. Этот вид неразрушающего анализа применяют в разных областях исследований: в нефтяной геологии — для определения коллекторских свойств горных пород [5], в геомеханике и изучении дезинтеграции горных пород [2], микроструктурном анализе и др. [6,8]. Если РТ позволяет фиксировать пространственное положение систем микротрещин, она может использоваться и для определения упругих параметров (в том числе анизотропии) горных пород.

Цель данной работы — оценить возможности метода рентгеновской томографии (РТ) в установлениии прост- ранственного положения элементов упругой симметрии (и анизотропии) горных пород путем сравнения результатов применения акустополярископии и РТ к одним и тем же образцам.

Акустополярископия

Акустополярископия (акустополяриметрия) как метод неразрушающего анализа изобретён в 1990 г. для поиска и определения пространственного положения дефектов (трещин) в различных твёрдых средах (натуральных и искусственных). Измерения проводят на образцах кубической формы с длиной ребра 25—45 мм. Для измерений используют ультразвуковой прибор — акустополярископ (аналог поляризационного микроскопа, где вместо света используют поляризованный ультразвук, частота колебаний 1.25 МГц, длина волны X = 3 мм) [1]. Источник ультразвука — серийный дефектоскоп (УД2-12). Измерения проводят: 1 — при скрещённых (ВС), 2 — при параллельных (ВП) векторах поляризации источника и приёмника сигнала в каждом направлении куба, при полном повороте образца с заданным шагом (здесь 10⁰), фиксируя амплитуду исходящего и принятого сигнала. По итогам измерений строят акусто-поляриграммы (рис. 1). Подробности методики и формулы для вычисления опубликованы в 1990-м году [1] и позже [4]. Уникальная рабочая установка для акустополярископии сейчас есть в Геологическом институте Кольского

1a

1b

Рис. 1. Акустополяриграммы образцов (1a, 1b) песчаника из скважины Ленинградская-1 [4]: жирная чёрная кривая — ВП, серая — ВС; в кружках — направления прозвучивания, в квадратных скобках — номера граней (означают пространственное положение образца), скрещённые прямые линии — элементы упругой симметрии

Fig. 1. Acoustopolarigrams of samples (1a, 1b) of sandstone from the Leningradskaya-1 well [4]: a fat black curve — VP, gray — VS; In circles, the directions of sounding, in square brackets — the numbers of faces (mean the spatial position of the sample), crossed straight lines — elements of elastic symmetry

НЦ РАН (г. Апатиты, Мурманская обл.). От других установок для ультразвукового изучения горных пород, применяемых, например, в МГУ и ИГЕМ РАН, в акустополярископе используются плоскополяризованные поперечные волны, позволяющие определять пространственное положение элементов упругой симметрии образцов (означающее в пространстве систему микротрещин).

Результаты акустополярископии

Для сравнительного анализа акустополярископии и рентгеновской томографии были использованы результаты работы по исследованию плотностных и упругих свойств (анизотропии) образцов керна из шельфовых отложений Карского моря (Ленинградская площадь), содержащих уникальные по запасам месторождения газа и газоконденсата [4]. На рисунке 1 представлены результаты акустополярископии двух образцов аркозовых песчаников (1a, 1b) кубической формы с длиной ребра = 30 мм.

Петрографическое описание образцов (в шлифах) . Образец 1а: аркозовый песчаник с глауконитом, цвет зеленовато-серый, массивный, мелкозернистый, хорошо сортированный, зерна плохо окатаны, цемент пленочный глинистого состава с железнением (не > 5 % объема). Минеральный состав обломков: кварц — 70 % объема породы и полевой шпат — 30 % объёма, размер зёрен — 0.11— 0.18 мм. Образец 1b: аркозовый песчаник с глауконитом (зерна 0.15—0.17 мм, не > 5 % объема), мелкозернистый, цвет желтовато-серый, неяснослоистый, хорошо сортированный, зерна среднеокатаны, цемент пленочный (не > 5 % объема) глинисто-железистого состава. Обломки составляют 90 % породы. Минеральный состав обломков: кварц 60 %, полевой шпат 40 %, отдельные лейсты мусковита, размер зёрен — 0.14—0.18 мм.

Приведенные данные [4] показывают, что размер показателя упругой анизотропии (B, Ap) осадочных пород не зависит от плотности и состава; максимальные показатели анизотропии типичны для слоистых сред, понижаются в средах с неявной слоистостью. Низкую плотность (высо кую пористость) имеют слоистые песчаники с признаками диссимметрии в форме акустополяриграмм. Элементы упругой симметрии означают пространственное положение основных систем трещиноватости, а их несовпадение с текстурой пород (обр. 1а) предполагает кроме влияния литостатического давления участие бокового динамического воздействия (сдвиг с растяжением или сжатием).

Рентгеновская томография

РТ — метод неразрушающего анализа, используемый ддя изучения различных твердых тел — метод реконструкции (восстановления) и визуализации пространственного распределения величины линейного коэффициента ослабления (ЛКО) рентгеновского излучения в плоском слое исследуемого объекта в результате компьютерной математической обработки серии теневых проекций. Производительность метода РТ определяется конструкцией прибора и заданными параметрами сканирования, в т. ч. размером пикселя, шагом сканирования, усреднением по кадрам и др., которые задаются в соответствии со сложностью поставленной задачи. После компьютерной обработки по результатам томографии получают информацию о неоднородности и плотностных свойствах исследуемого объекта (как по всему объёму, так и в отдельных срезах). Структура порового пространства определяется системами трещин (микротрещин), которые определяют положение элементов упругой симметрии горных пород в акустополярископии.

Результаты РТ

Сканирование проведено на микротомографе Skyscan-1172 (Bruker-microCT, Бельгия) в ресурсном центре «Геомодель» СПбГУ. Параметры сканирования: напряжение 100 kV, ток 100 ц А, фильтр — Al+Cu, размер пикселя — 4.28 p m, шаг вращения — 0.200 град., усреднение по кадрам — 4. Время сканирования = 2.5 часа.

Измерения проведены на образцах кубической формы с длиной ребра = 10 мм (1а, 1b), выпиленных из одно- именных кубиков, измеренных методом акустополяри-скопии с сохранением ориентировки граней.

В результате томографического исследования (рис. 2) установлено расположение пор (черные точки) и присутствие сульфидов, скорее всего пирита (белые точки). Разная их концентрация объясняет разницу в плотности образцов 1а и 1b (см. таблицу). Все элементы упругой симметрии, нанесённые на акустополяриграммах, на томограммах (направления 1 и 2) легко определяются (примерно на тех же местах и под теми же углами). Их местоположение совпадает со структурно-текстурными особенностями образцов (слоистостью и системой порового пространства — микротрещинами). На грани 3 элементы упругой симметрии четко не проявляются, что устраняется повторным сканированием образца с его вращением вокруг оси 1-1 или 2-2.

Заключение

В результате сравнения данных, полученных методами акустополярископии и рентгеновской томографии (рис. 1,2), показана возможность использования метода РТ ддя определения пространственного положения элементов упругой симметрии в образцах горных пород. Преимущество РТ помимо визуализации структурных неоднородностей исследуемого объекта и возможности получения трехмерного изображения состоит также в доступности метода для массового использования, т. к. необходимое оборудование .для этих исследований сейчас есть в любом крупном научном центре коллективного пользования.

Работа выполнена с использованием оборудования ресурсного центра «Геомодель» научного парка Санкт-Петербургского государственного университета.

1a

1b

Рис. 2. Результаты томографии: элементы упругой симметрии нанесены на гранях 1 и 2 прямыми белыми линиями

Fig. 2. Results of microtomography: elements of elastic symmetry are plotted on faces 1 and. 2 by straight white lines

Некоторые физические свойства песчаников (по [4])

Some physical features of sandstones (from [4])

№ образца Sample No.	Глубина, м Depth, m	Название породы Rocks	Квазиматрица скоростей, Vij (км/с) Velocity quasimatrix	A/B, %	Плотность, г/см3 Density	Углы а /Т, град. Angles, deg	*Тип упр. СИММ. Type of el. symm
lb	1701	Песчаник аркозовый, неяснослоистый Arcose, indistinctly laminated sandstone	1.934 1.304 1.346 1.453 2.183 1.378 1.271 1.279 1.798	14.00 6.20	1.99	0 0	T
la	1873	Песчаник аркозовый, массивный Arcose, massive sandstone	2.651 1.780 1.758 1.784 2.685 1.479 1.477 1.506 0.955	66.71 18.43	2.32	11 20	T

*Тип упругой симметрии: Т — трансверсально-изотропный (псевдогексагональный).

*Type of elastic symmetry: T — transversal-isotropic (pseudohexagonal).