Системы параметров упругости; анизотропии; поглощение

Упругие свойства горных пород важны:

а) как параметры состояния вещества в петрологии и физике Земли (наряду с плотностью);

б) как определяющие параметры в механике горных пород и геодинамике (для описания быстропротекающих процессов);

в) как определяющие свойства в сейсмологии и сейсморазведке.

В геофизике упругие свойства горных пород определяют скорости распространения сейсмических волн. Отклонение от идеально упругого поведения среды связано с поглощением средой энергии упругих колебаний.

Физический смысл упругих параметров — связь между напряжениями в среде под действием сил, в том числе обусловленных неоднородностями ее структуры, с деформациями относительными смещениями частей (или частиц) среды.

Традиционно в разных разделах теории и методики сейсмологии и сейсморазведки используются три системы упругих параметров.

1. Модуль сжатия К и модуль сдвига μ- в теоретической сейсмологии, физике Земли и, геодинамике.

2. Модуль Юнга (продольного растяжения) Е и коэффициент Пуассона (поперечного сжатия) ν — в экспериментальной сейсмологиии сейсморазведке.

3. Коэффициенты Ламе λ и μ— в теории сейсмических волн; μ - модуль сдвига, а определением λ и μ можно считать закон Гука для напряжений σij, и деформаций объема θijε (Σεij) и сдвига εij: =λθ+2μεij

если определяется как τij= μεij, где τij касательные напряжения.

Для реальных горных пород характерна анизотропия, хотя она обычно невелика, что позволяет во многих случаях представить ее в виде зависимости скорости сейсмических волн от направления распространения. Раздельно существующие продольная волна и две поперечные волны имеют разные скорости по разным направлениям и неравны между собой по любому направлению.

Часто анизотропия бывает вызвана тонкой слоистостью осадочных и метаморфических пород. Тогда скорости распространения продольных волн нормально к поверхностям слоев отличаются от скоростей волн вдоль слоев.

Если в слоистой среде в плоскостях слоев все направления эквивалентны и выделено лишь направление по нормали к ним, такая среда называется трансверсально-изотропной. Для описания упругих волн в этом случае требуется пять независимых параметров упругости: неравны и скорости поперечных волн, распространяющихся нормально к слоистости и вдоль нее.

У разных минералов и горных пород соотношение скоростей вдоль и поперек плоскостей спайности или напластования может быть противоположным. Похожей анизотропией обладают слюды, кальцит, графит, тальк и другие, также не создающие больших скоплений. Среди осадочных пород: алевролит известняк, антрацит. Чаще у слоистых пород скорости вдоль напластования обычно больше. Известный пример анизотропии связывается с преобладающей ориентацией кристаллов оливина в верхней мантии соответственно направлению медленных конвективных движений.

Поглощение сейсмических волн средой их распространения является одним из примеров диссипации энергии, необратимого перехода в ее тепло. В большей или меньшей степени диссипативны все реальные материалы, горные породы — не исключение

Известно, что коэффициент поглощения зависит от частоты почти линейно. Экспериментально установлена корреляция между коэффициентами поглощения и скоростями распространения сейсмических волн: высокоскоростные породы имеют, как правило, малое поглощение, а все сильно поглощающие среды характеризуются низкими скоростями.

Физические механизмы поглощения энергии при распространении сейсмических волн связываются с внутренним трением, явлениями упругого последействия — запаздывания реакции среды на изменения нагрузки. Наибольшее поглощение при прочих равных условиях обнаруживают рыхлые породы, с уменьшением пористости коэффициенты поглощения пропорционально уменьшаются. Отмечено повышение поглощения сейсмических волн в коллекторах вблизи газонефтяных контактов, в других насыщенных газожидкостными флюидами породах.