Источники упругих волн в массиве

Источники упругих волн в массиве.

ГЕОАКУСТИКА (от греч. gg - Земля и акустика)- раздел акустики, в к-ром изучаются закономерности распределения упругих волн с частотами от 10-1 до 106 Гц в земной коре. Сюда относится также исследование акустич. характеристик горных пород (скорости распределения и затухания упругих волн в них). В Г. наряду с продольными изучаются и др. типы упругих волн (поперечные, волны Лява, Стоунли, Лэмба). Экспериментально установлено, что скорости и коэф. затухания продольных упругих волн в горных породах изменяются в пределах 300-8*103 м/с и 10-3-10-1 дБ/м соответственно. Геоакустич. исследования проводят с целью прогноза землетрясений (сейсмология), изучения строения и свойств литосферы (глубинное сейсмич. зондирование), поиска и разведки месторождений и полезных ископаемых (сейсморазведка, звуковой каротаж). Возбуждение и приём упругих волн осуществляются на поверхности Земли, поверхности и дне акваторий, в глубоких скважинах и горных выработках. Наряду с натурными исследованиями, в Г. используют также методы УЗ-моделирования волновых явлений и лаб. петрофиз. исследования.

Источниками упругих волн при натурных исследованиях служат естественная и наведённая эмиссия акустическая, возникающая при растрескивании массивов горных пород, специально проводимые взрывы, элект-рогидравлич. вибраторы, пьезоэлектрич., магнито-стрикц. и др. излучатели звука. Приём упругих волн ведут с помощью спец. приборов - геофонов.

В зависимости от интенсивности упругих волн и характера взаимодействия их с геологич. средами Г. можно разделить на линейную и нелинейную. Для изучения строения и свойств геологич. сред используют преим. методы линейной Г. Методы нелинейной Г., связанные с активным воздействием упругих волн на среду (изменение температуропроводности, фильтрац. характеристик, давления насыщения углеводородных систем и др.), применяют для интенсификации добычи полезных ископаемых.

 

Излучение при землетрясениях и горных ударах.

Из электромагнитной теории гравитации следует, что вещество - это суперпозиция электромагнитных полей. Следовательно, материей является непосредственно само электромагнитное поле. Пространство между "овеществленными" объектами заполнено "разреженным" электромагнитным эфиром. В том числе, и теория большого взрыва. 
Теория Большого взрыва не даёт никакой возможности говорить о чём-либо, что предшествовало этому моменту (потому что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого взрыва теряет применимость, при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва) . Это сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. 
Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Проблема существования сингулярности в данной теории является одним из стимулов построения квантовой и других альтернативных теорий гравитации, которые стараются разрешить эту проблему. 
Следовательно, реликтовое излучение по своей физике нуждается также в пересмотре. 
Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва. 
Исходя из электромагнитной теории гравитации, появилось предположение, что реликтовое излучение - это своеобразная "проекция" энергетического масштаба. Если будет обнаружена аномалия реликтового излучения в зоне сейсмической активности, то это может иметь далеко идущие последствия, не считая того, что мы сможем ухватиться за надежный метод предсказания землетрясений. Пишу с надеждой, что эти строки прочитают специалисты и проведут соответствующие измерения. Ведь каждый год на Земле от землетрясений случается столько бед.

Горный удар— внезапное быстропротекающее разрушение предельно напряжённой части массива полезных ископаемых(породы), прилегающей к подземной горной выработке.

Горный удар сопровождается выбросом полезных ископаемых (пород) в горную выработку, сильным звуковым эффектом, возникновением мощной воздушной волны. В CCCP проявления горного удара отмечены с конца 40-х годов 20 века на шахтах Кизеловского бассейна, а с углублением горных работ горные удары начали проявляться на шахтах Кузнецкого и Донецкого бассейнов, Сучанского, Шурабского, Ткибульского, Воркутинского, Сулюктинского и других месторождений.

Горные удары обычно происходят при глубинах разработки свыше 200 м. На многих месторождениях, особенно рудных, возникновение горного удара вызывается наличием в массиве горных пород тектонических напряжений, превышающих по своей величине гравитационные, иногда в несколько раз. В горном ударе участвуют потенциальная энергия упругого сжатия пласта полезных ископаемых (пород) в очаге разрушения и энергия упругих деформаций окружающих пород (рис. 1). Динамический характер потери устойчивости при горном ударе вызывается превышением притока энергии над её поглощением при разрушении. По силе проявления выделяют стреляния, толчки, микроудары и собственно горные удары; последние проявляются в краевых частях подготовительных и очистных выработок, в целиках (изолированных сплошных, прорезанных выработками, отделённых от массива выработкой).

 

Образование сейсмических волн при взрывах.

 

Упругие волны, возникающие в результате землетрясения, взрывов, ударов, распространяющиеся в виде затухающих колебаний в Земле. Упругой волной называется процесс передачи на расстояние деформаций, возникающих в упругих телах классифицируются: 1) по типу деформаций — продольные, поперечные и поверхностные; 2) по характеру распространения — прямые, отраженные, преломленные, рефрагированные, дифрагированные и обменные; 3) по времени распространения — регулярные и нерегулярные;

4) по использованию в сейсморазведке — полезные и помехи.

Могут происходить упругие и пластические деформации, но малость и кратковременность изучаемых в сейсморазведке и сейсмологии  деформаций позволяет рассматривать Землю в целом, земную кору и слагающие ее геол. объекты как идеально упругие среды. Упругость идеально упругой среды характеризуется любой из пар упругих констант: l и m (константы Лямэ, см.Упругость); модулем Юнга (Е) и коэффициентом Пуассона (m ); скоростями продольных (VP) и поперечных (Vs) волн. Основным законом теории упругости является закон Гука, предполагающий линейную зависимость между деформацией и напряжением, коэф. пропорциональности которой служат упругие константы.

Важнейшим свойством является свойство суперпозиции (наложения), согласно которому в любой обл. среды может распространяться независимо друг от друга любое число волн. Распространение упругих деформаций в идеально упругой среде описывается волновым уравнением, которое для однородной среды имеет вид:

где r — плотность среды,   — вектор смещения частиц среды, t — время, D — оператор Лапласа, q — дилатация (относительное расширение элементарного объема среды). Для однородной среды характерны два независимо распространяющихся типа движения: продольное смещение  p, характеризующееся наличием только сжатия и расширения элементарных объемов среды, и смещение  s, связанное только с вращением элементарных объемов. Первое вызывает продольные, второе — поперечные волны, характеризующиеся уравнениями

В этих уравнениях Vp — скорость распространения продольной, a Vs — скорость распространения поперечной волны. Они связаны с упругими константами соотношениями

                                                  

Скорость распространения продольных волн выше скорости распространения поперечных волн, а их отношение   зависит от упругих свойств среды. В средах, где модуль сдвига m = 0 (жидкость, газ), поперечные волны не возникают. Продольные волны в настоящее время представляют наибольший интерес в сейсморазведке, поперечные волны имеют большое значение для познания состояния вещества в подкоровых слоях Земли. При наличии точечного источника возмущения образуются сферические волны. На большом расстоянии от источника, где направления смещений частиц являются практически параллельными, В. с. можно рассматривать на ограниченном участке как плоские, что значительно упрощает теорию. При описании и изображении  применяется метод фронтов-лучей (см. Фронт волны, Луч сейсмический). Совокупность положений фронтов в разл. моменты времени образует поле времен, изображаемое на плоскости в виде изохрон. Изучение геометрии фронтов и лучей составляет геометрическую сейсмику. При падении продольных и поперечных волн на свободную (дневную) поверхность на ней возникают свободные колебания, распространяющиеся в виде поверхностных волн. Одним из типов поверхностных волн являются волны Релея. При изучении движения  реальных средах учитывается наличие в них сейсмических границ, на которых упругие свойства среды и плотность изменяются скачком. При падении упругой волны на границу раздела двух сред возникает от двух до четырех вторичных волн: две отраженные в первой среде — продольная и поперечная и две преломленные (проходящие) во второй среде — продольная и поперечная. Амплитуда смещений вторичной волны пропорциональна амплитуде падающей волны. Коэф. отражения (преломления) является функцией угла падения и соотношения акустических жесткостей (волновых сопротивлений) сред. Условием образования отраженных волн, используемых в методе отраженных волн, является неравенство акустических жесткостей. В случае, когда скорость во второй среде больше скорости в первой среде при некотором угле падения a 1 ³ a кр (см. Угол критический) наступает явление полного внутреннего отражения. В этом случае образуется головная волна, распространяющаяся вдоль границы, используемая в методе преломленных волн. В непрерывных средах (см. Среды непрерывные) образуются проходящие волны рефрагированные, изучение которых играет значительную роль при определении скоростного разреза.

Кроме того, при распространении В. с. наблюдается явление дифракции, в результате чего возникают дифрагированные волны (волны огибания). Источниками дифракции являются изломы и шероховатости сейсмических границ, включения тел неправильной формы и т. д. При определенных соотношениях скоростей продольных и поперечных волн и углов их падения на границу образуются волны обменные, изменяющие на границе свой тип. Обменные волны играют важную роль в сейсмологии и сейсморазведке. В реальной слоистой среде возникают волны многократно отраженные, пути пробега которых бывают весьма сложными, что затрудняет проведение сейсморазведки. Применение специальной сейсмической аппаратуры и методических приемов позволяет освободиться от большинства волн-помех и выделить полезные волны.

     Акустическая эмиссия в горных породах.

Эмиссия акустическая - излучение упругих волн, возникающее в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел. Акустическая эмиссия проявляется при пластической деформации твердых материалов, при возникновении и развитии в них дефектов, например при образовании трещин, при фазовых превращениях связанных с изменением кристаллической решетки, а так же при резании твердых материалов. Физическим механизмом, объясняющим ряд особенностей акустической эмиссии, является движение в веществе дислокаций и их скоплений. Дислокационные процессы, связанные с отрывом дислокаций от точек закрепления, торможением их у препятствий, возникновением и уничтожением отдельных дислокаций, - имеют существенно неравномерный, и даже прерывистый, характер. Это является причиной,обуславливающей излучение волн напряжения, т.е. акустической эмиссии. Соответственно акустическая эмиссия имеет «взрывной», импульсный характер; длительность импульса может составлять 10-8ё10-4 с, энергия отдельного импульса - от 10-9до 10-5 Дж.

        В  качестве источника акустической  эмиссии можно рассматривать  расположенный в глубине образца  твердого тела элемент объема, испытывающий изменение напряженного  состояния. Сигналы акустической  эмиссии проявляются в виде  колебаний поверхности образца, смещение при которых составляет 10-14ё10-7 м; иногда эти сигналы достаточно сильны и могут восприниматься на слух (например, «крик олова» при пластическом деформировании этого материала). Сигнал эмиссии, распространяясь от источника к поверхности образца, претерпевает существенное искажение вследствие дисперсии скорости звука, трансформации типа и формы волны при отражении, затухании звука и др. Если время затухания сигнала и время переходных процессов в образце меньше промежутка времени между излучаемыми импульсами, эмиссия воспринимается в виде последовательности импульсов и называется дискретной или импульсной. Если же интервал между отдельными актами излучения меньше времени затухания, эмиссия имеет характер непрерывного излучения, в подавляющем большинстве случаев нестационарного, и называется непрерывной или сплошной. Дискретная эмиссия имеет место, например, при образовании трещин, непрерывная - в процессе резания. Частотный спектр акустических эмиссий весьма широк - он простирается от области слышимых частот до десятков и сотен МГц.

К основным параметрам, характеризующим акустическую эмиссию, относятся:

- общее число импульсов  дискретной эмиссии за исследуемый  промежуток времени;

- так называемая суммарная (или интегральная) эмиссия - число  превышений сигналом эмиссии  установленного уровня за исследуемый  промежуток времени;

- интенсивность эмиссии - число превышений сигналом эмиссии  установленного уровня в единицу  времени;

- амплитуда эмиссии - максимальное  значение сигнала эмиссии в  течение заданного промежутка  времени;

- уровень сигналов эмиссии - среднее квадратичное сигнала  за рассматриваемый промежуток  времени.

Корреляцию этих параметров с развитием дефектов устанавливают при лабораторных испытаниях образцов, в процессе которых регистрируют в функции времени параметры акустической эмиссии и действующую внешнюю силу или деформацию

Для регистрации параметров акустической эмиссии, а также для записи формы сигналов и их длительности применяют специальную аппаратуру, которая обеспечивает прием слабых сигналов эмиссии на фоне шумов, обладает необходимым быстродействием (интенсивность эмиссии меняется в пределах от 0 до 105 импульсов в секунду) и малыми собственными шумами. В качестве приемников колебаний в большинстве случаев используются пьезокерамические преобразователи; оптические интерференционные методы измерения колебаний с применением лазерного излучения. Сигналы с датчиков колебаний усиливают и подвергают дальнейшей обработке с помощью электронной аппаратуры. Обычно рабочий диапазон аппаратуры: 1·104 Гц 1·107 Гц.