Расширенный поиск
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАПЕСЧАНИКОВ МЕТОДОМ ШИРОКОПОЛОСНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ЛАЗЕРНЫМ ИСТОЧНИКОМ УЛЬТРАЗВУКА
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет
2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Журнал: Геофизические процессы и биосфера
Том: 22
Номер: 4
Год: 2023
Страницы: 13-24
УДК: 622.023:534.08
DOI: 10.21455/GPB2023.4-2
Показать библиографическую ссылку
Подымова
А.В Н.Б. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАПЕСЧАНИКОВ МЕТОДОМ ШИРОКОПОЛОСНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ЛАЗЕРНЫМ ИСТОЧНИКОМ УЛЬТРАЗВУКА
// Геофизические процессы и биосфера. 2023. Т. 22. № 4. С. 13-24. DOI: 10.21455/GPB2023.4-2
@article{Подымова
А.ВИССЛЕДОВАНИЕ2023,
author = "Подымова
А.В, Н. Б.",
title = "ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАПЕСЧАНИКОВ МЕТОДОМ ШИРОКОПОЛОСНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ЛАЗЕРНЫМ ИСТОЧНИКОМ УЛЬТРАЗВУКА
",
journal = "Геофизические процессы и биосфера",
year = 2023,
volume = "22",
number = "4",
pages = "13-24",
doi = "10.21455/GPB2023.4-2",
language = "Russian"
}
Скопировать ссылку в формате ГОСТ
Скопировать ссылку BibTex
Файлы:
Ключевые слова: лазерное возбуждение ультразвука, широкополосная акустическая спектроскопия, оптическая микроскопия, метапесчаники, продольные ультразвуковые волны, коэффициент затухания, фазовая скорость.
Аннотация: Представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента затухания и фазовой скорости продольных ультразвуковых волн в образцах метапесчаников разной степени деформационно-метаморфических преобразований с целью анализа влияния структуры образцов на данные акустические характеристики. Измерения проводились с помощью метода широкополосной акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука и пьезоэлектрической регистрацией наносекундных ультразвуковых импульсов в рабочем диапазоне частот 170 МГц. Объектами исследования являлись метапесчаники зонально метаморфизованной ладожской серии палеопротерозоя Балтийского щита, претерпевшие разную степень структурно-текстурных изменений в температурном диапазоне 400-600 °С. В четырех точках, соответствующих разным температурным уровням метаморфизма, были отобраны и изучены керны двух разных толщин и близкого минерально-фазового состава, но с некоторыми вариациями структурно-текстурного сложения субстрата. Для метапесчаников из трех точек частотные зависимости коэффициента затухания и фазовой скорости продольных ультразвуковых волн практически совпадают в трех участках каждого керна и практически одинаковы для кернов двух разных толщин. Последний факт подтверждает достоверность результатов проведенных ультразвуковых исследований, а совпадение результатов для трех различных участков каждого керна указывает на однородную структуру метапесчаников. Коэффициент затухания и фазовая скорость ультразвука оказались существенно различными в исследованных участках двух кернов метапесчаника в одной из че-тырех точек отбора (ЛВ1246), что обусловлено существенной неоднородностью их структуры. Также выявлено различие абсолютных значений коэффициента затухания и фазовой скорости ультразвука во всем исследованном частотном диапазоне для метапесчаников различных месторождений. С использованием рэлеевской модели рассеяния ультразвука дана оценка максимальных размеров зерен в исследованных образцах. Результаты коррелируют с данными, полученными с использованием оптической микроскопии шлифов всех образцов. Реализованный метод широкополосной акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука может служить основой для выявления взаимосвязи между частотными зависимостями коэффициента затухания и фазовой скорости продольных ультразвуковых волн, характерными особенностями структуры и условиями формирования метапесчаников в каждом конкретном месторождении.
Список литературы: Белов М.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А., Подымова Н.Б. Количественная оценка размеров минеральных зерен методом лазерной ультра-звуковой спектроскопии // ФТПРПИ. 2003. № 5. С. 3–8.
Великославинский Д.С. Метаморфические зоны в Северном Приладожье и оценка темпера-тур метаморфизма кианитового и андалузитового типов регионального метаморфизма // Метаморфические пояса СССР. Л.: Наука, 1971. С. 61–70.
Воробьев Р.И., Сергеичев И.В., Карабутов А.А., Миронова Е.А., Саватеева Е.В., Аха-тов И.Ш. Применение оптоакустического метода для оценки влияния пустот на тре-щиностойкость конструкционных углепластиков // Акуст. журн. 2020. Т. 66, № 2. С. 148–153. https://doi.org/10.31857/S0320791920020161
Гасеми М.Ф., Баюк И.О. Граничные значения параметров строения пустотного пространства петроупругих моделей карбонатных пород // Физика Земли. 2020. № 2. С. 69–88. https://doi.org/10.31857/S0002333720020039
Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.
Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Экспериментальные исследования влияния трещиноватости гор-ных пород и модельных материалов на скорость распространения продольной волны // Физика Земли. 2020. № 4. С. 39–50. https://doi.org/10.31857/S0002333720040109
Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Сопоставление подходов к оценке сжимаемости порового про-странства // Зап. Горн. ин-та. 2022. Т. 258. С. 1008–1017. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.97
Егоров Н.А., Краснова М.А., Белобородов Д.Е., Афиногенова Н.А., Матвеев М.А. Акустические исследования глинистых пород в процессе термального метаморфизма // Геофизические исследования. 2021. Т. 22, № 1. С. 68–87. https://doi.org/10.21455/gr2021.1-5
Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использованием термооптических источников про-дольных волн // ФТПРПИ. 2004. № 3. С. 14–19.
Карабутов А.А., Подымова Н.Б. Импульсная оптико-акустическая диагностика биообъектов // Изв. РАН. Сер. физическая. 1997. Т. 61, № 8. С. 1580–1585.
Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Физика переходных режимов сейсмичности. М., 2020. 412 с.
Соболев Г.А. Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования – ЛНТ // Физика Земли. 2019. № 1. С. 166–179. https://doi.org/10.31857/S0002-333720191166-179
Хохлова Т.Д., Пеливанов И.М., Карабутов А.А. Методы оптико-акустической диагностики биотканей // Акуст. журн. 2009. Т. 55, № 4–5. С. 672–683.
Шихова Н.М., Патонин А.В., Пономарёв А.В., Смирнов В.Б. Вариации спектров сигналов ультразвукового зондирования при лабораторных испытаниях образцов горных пород // Физика Земли. 2022. № 4. С. 167–180. https://doi.org/10.31857/S000233372204010X
Шкуратник В.Л., Ноздрина Н.Д. Теоретические предпосылки количественной оценки размеров минерального зерна ультразвуковым методом // ФТПРПИ. 1998. № 6. С. 104–111.
Baud P., Teng-fong Wong, Wei Zhu. Effects of porosity and crack density on the compressive strength of rocks // Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci. 2014. V. 67. P. 202–211. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2013.08.031
Fitting D.W., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. N.Y.: Plenum Press, 1981. 354 p.
Fjaer E., Holt R.M., Horsrud P., Raaen A.M., Risnes R. Elastic wave propagation in rocks // Developments in Petrol. Sci. 2008. V. 53. P. 175–218. https://doi.org/10.1016/S0376-7361(07)53005-0
Haderer W., Scherleitner E., Gseller J., Heise B., Mitter T., Ryzy M., Reitinger B., Hettich M. Spatial imaging of stratified heterogeneous microstructures: determination of the hardness penetration depth in thermally treated steel parts by laser ultrasound // NDT&E Intern. 2023. V. 138. Art. N 102868. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2023.102868
Jeong H., Hsu D.K. Experimental analysis of porosity-induced ultrasonic attenuation and velocity change in carbon composites // Ultrasonics. 1995. V. 33, N 3. P. 195–203. https://doi.org/10.1016/0041-624X(95)00023-V
Kube C.M. Attenuation of laser generated ultrasound in steel at high temperatures; comparison of theory and experimental measurements // Ultrasonics. 2016. V. 70. P. 238–240. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2016.05.009
Lockner D.A., Moore D.E., Reches Z. Microcrack interaction leading to shear fracture // Rock Me-chanics: Proc. of the 33rd ARMA US symp. / Ed. by J.R. Tillerson, W.R. Wawersik. Rotter-dam, Netherlands, 1992. P. 807–816.
Podymova N.B., Karabutov A.A. Nondestructive assessment of local microcracking degree in ortho-clase and plagioclase feldspars using spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses // Ultrasonics. 2022. V. 125. Art. N 106796. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2022.106796.
Podymova N.B., Kalashnikov I.E., Bolotova L.K., Kobeleva L.I. Laser-ultrasonic nondestructive evaluation of porosity in particulate reinforced metal-matrix composites // Ultrasonics. 2019. V. 99. Art. N 105959. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2019.105959
Reynolds W.N., Smith R.L. Ultrasonic wave attenuation spectra in steels // J. Physics. D: Appl. Phys. 1984. V. 17. P. 109–116. https://doi.org/10.1088/0022-3727/17/1/015
Sarpun I.H., Kilickaya M.S. Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first backwall echo height measurements // NDT&E Intern. 2006. V. 39. P. 82–86. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2005.06.010
Schon J.H. Physical properties of rocks: A workbook. Elsevier, 2011. 481 p.
Vavilov V.P., Karabutov A.A., Chulkov A.O., Derusova D.A., Moskovchenko A.I., Cherepetska-ya E.B., Mironova E.A. Comparative study of active infrared thermography, ultrasonic laser vibrometry and laser ultrasonics in application to the inspection of graphite/epoxy composite parts // Quantitative InfraRed Thermography J. 2019. V. 17, N 4. P. 235–248. https://doi.org/10.1080/17686733.2019.1646971
Zhang Sh., Wu Sh., Zhang G. Strength and deformability of a low-porosity sandstone under true triaxial compression conditions // Intern. J. Rock Mech. & Mining Sci. 2020. V. 127. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2019.104204]
Zhu J.,·Zhai T., Liao Z., Yang S., Liu X., Zhou T. Low-amplitude wave propagation and attenuation through damaged rock and a classification scheme for rock fracturing degree // Rock Mech. Rock Eng. 2020. V. 53. P. 3983–4000. https://doi.org/10.1007/s00603-020-02162-8
Великославинский Д.С. Метаморфические зоны в Северном Приладожье и оценка темпера-тур метаморфизма кианитового и андалузитового типов регионального метаморфизма // Метаморфические пояса СССР. Л.: Наука, 1971. С. 61–70.
Воробьев Р.И., Сергеичев И.В., Карабутов А.А., Миронова Е.А., Саватеева Е.В., Аха-тов И.Ш. Применение оптоакустического метода для оценки влияния пустот на тре-щиностойкость конструкционных углепластиков // Акуст. журн. 2020. Т. 66, № 2. С. 148–153. https://doi.org/10.31857/S0320791920020161
Гасеми М.Ф., Баюк И.О. Граничные значения параметров строения пустотного пространства петроупругих моделей карбонатных пород // Физика Земли. 2020. № 2. С. 69–88. https://doi.org/10.31857/S0002333720020039
Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.
Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Экспериментальные исследования влияния трещиноватости гор-ных пород и модельных материалов на скорость распространения продольной волны // Физика Земли. 2020. № 4. С. 39–50. https://doi.org/10.31857/S0002333720040109
Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Сопоставление подходов к оценке сжимаемости порового про-странства // Зап. Горн. ин-та. 2022. Т. 258. С. 1008–1017. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.97
Егоров Н.А., Краснова М.А., Белобородов Д.Е., Афиногенова Н.А., Матвеев М.А. Акустические исследования глинистых пород в процессе термального метаморфизма // Геофизические исследования. 2021. Т. 22, № 1. С. 68–87. https://doi.org/10.21455/gr2021.1-5
Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использованием термооптических источников про-дольных волн // ФТПРПИ. 2004. № 3. С. 14–19.
Карабутов А.А., Подымова Н.Б. Импульсная оптико-акустическая диагностика биообъектов // Изв. РАН. Сер. физическая. 1997. Т. 61, № 8. С. 1580–1585.
Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Физика переходных режимов сейсмичности. М., 2020. 412 с.
Соболев Г.А. Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования – ЛНТ // Физика Земли. 2019. № 1. С. 166–179. https://doi.org/10.31857/S0002-333720191166-179
Хохлова Т.Д., Пеливанов И.М., Карабутов А.А. Методы оптико-акустической диагностики биотканей // Акуст. журн. 2009. Т. 55, № 4–5. С. 672–683.
Шихова Н.М., Патонин А.В., Пономарёв А.В., Смирнов В.Б. Вариации спектров сигналов ультразвукового зондирования при лабораторных испытаниях образцов горных пород // Физика Земли. 2022. № 4. С. 167–180. https://doi.org/10.31857/S000233372204010X
Шкуратник В.Л., Ноздрина Н.Д. Теоретические предпосылки количественной оценки размеров минерального зерна ультразвуковым методом // ФТПРПИ. 1998. № 6. С. 104–111.
Baud P., Teng-fong Wong, Wei Zhu. Effects of porosity and crack density on the compressive strength of rocks // Intern. J. Rock Mech. and Mining Sci. 2014. V. 67. P. 202–211. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2013.08.031
Fitting D.W., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. N.Y.: Plenum Press, 1981. 354 p.
Fjaer E., Holt R.M., Horsrud P., Raaen A.M., Risnes R. Elastic wave propagation in rocks // Developments in Petrol. Sci. 2008. V. 53. P. 175–218. https://doi.org/10.1016/S0376-7361(07)53005-0
Haderer W., Scherleitner E., Gseller J., Heise B., Mitter T., Ryzy M., Reitinger B., Hettich M. Spatial imaging of stratified heterogeneous microstructures: determination of the hardness penetration depth in thermally treated steel parts by laser ultrasound // NDT&E Intern. 2023. V. 138. Art. N 102868. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2023.102868
Jeong H., Hsu D.K. Experimental analysis of porosity-induced ultrasonic attenuation and velocity change in carbon composites // Ultrasonics. 1995. V. 33, N 3. P. 195–203. https://doi.org/10.1016/0041-624X(95)00023-V
Kube C.M. Attenuation of laser generated ultrasound in steel at high temperatures; comparison of theory and experimental measurements // Ultrasonics. 2016. V. 70. P. 238–240. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2016.05.009
Lockner D.A., Moore D.E., Reches Z. Microcrack interaction leading to shear fracture // Rock Me-chanics: Proc. of the 33rd ARMA US symp. / Ed. by J.R. Tillerson, W.R. Wawersik. Rotter-dam, Netherlands, 1992. P. 807–816.
Podymova N.B., Karabutov A.A. Nondestructive assessment of local microcracking degree in ortho-clase and plagioclase feldspars using spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses // Ultrasonics. 2022. V. 125. Art. N 106796. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2022.106796.
Podymova N.B., Kalashnikov I.E., Bolotova L.K., Kobeleva L.I. Laser-ultrasonic nondestructive evaluation of porosity in particulate reinforced metal-matrix composites // Ultrasonics. 2019. V. 99. Art. N 105959. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2019.105959
Reynolds W.N., Smith R.L. Ultrasonic wave attenuation spectra in steels // J. Physics. D: Appl. Phys. 1984. V. 17. P. 109–116. https://doi.org/10.1088/0022-3727/17/1/015
Sarpun I.H., Kilickaya M.S. Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first backwall echo height measurements // NDT&E Intern. 2006. V. 39. P. 82–86. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2005.06.010
Schon J.H. Physical properties of rocks: A workbook. Elsevier, 2011. 481 p.
Vavilov V.P., Karabutov A.A., Chulkov A.O., Derusova D.A., Moskovchenko A.I., Cherepetska-ya E.B., Mironova E.A. Comparative study of active infrared thermography, ultrasonic laser vibrometry and laser ultrasonics in application to the inspection of graphite/epoxy composite parts // Quantitative InfraRed Thermography J. 2019. V. 17, N 4. P. 235–248. https://doi.org/10.1080/17686733.2019.1646971
Zhang Sh., Wu Sh., Zhang G. Strength and deformability of a low-porosity sandstone under true triaxial compression conditions // Intern. J. Rock Mech. & Mining Sci. 2020. V. 127. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2019.104204]
Zhu J.,·Zhai T., Liao Z., Yang S., Liu X., Zhou T. Low-amplitude wave propagation and attenuation through damaged rock and a classification scheme for rock fracturing degree // Rock Mech. Rock Eng. 2020. V. 53. P. 3983–4000. https://doi.org/10.1007/s00603-020-02162-8
