岩石特性对超声波传播速度的影响

2011-01-26郑志远王思雯金子梁

物理实验 2011年9期

郑志远，王思雯，金子梁

（中国地质大学（北京）物理实验教学示范中心，北京100083）

1 引言

超声波测试作为一种无损检测技术，在岩石力学领域和地质领域中得到广泛应用．超声波的传播受到岩石矿物成分、结构、孔隙度、含水量、压力和温度等诸多因素的影响［1－8］．

关于超声波与岩石之间的关系已有大量的研究．张洪平等通过研究声波在岩样内传播的波形规律，了解了岩样受到外界压力后的结构特性，并对岩石声波测量装置进行了研究［9］．马中高等通过对实测数据的分析，提出了定量表述这种速度对有效压力的依赖关系，可用于速度压力校正、压力趋势分析及时移地震监测分析［10］．Ledebev等测定了在压力为600 MPa、温度为900℃的条件下含有沸石和不含沸石的玄武岩的纵、横波波速，研究了玄武岩中水化反应和脱水反应对波速的影响［11］．翟小洁等通过超声波对单轴压缩实验中岩石扩容现象的测试，分析了超声横波在不同岩石压缩过程中的传播情况，利用超声横波的特性测出岩石在压缩的不同阶段的微裂纹发展情况和体积变化情况，进一步证明不同岩石在单轴压缩过程中扩容的时间和程度存在差异［12］．到目前为止，在水与岩石超声性能的研究中，多数情况是将干燥状态和饱水状态进行对比，而对不同吸水量情况下的研究较少．

本文以浮岩、粗面岩、流纹岩等作为测试岩样，分析了岩石成分、吸收率、孔隙度等物理量对超声波的影响，重点测量了岩石吸水量和环境温度与超声波传播速度之间的关系．

2 实验测量

实验主要利用声速测量原理，使用的仪器主要为ZKY－SS声速测定试验仪、DS1042C数字示波器、恒温水浴箱等．实验仪器调整好后，将岩石固定在2个探头之间，再用信号发生器发出正弦超声波．调整信号发生器，使其发出脉冲超声波，观察示波器图像，记下超声波通过岩石的时间．通过岩石的厚度获得超声波的传播速度．所谓饱水状态是将岩石样品浸泡在水槽中使其充分吸水，48 h后取出，测量超声波通过的时间．岩石样品的不同环境温度是通过数显恒温水浴箱来实现．将已达饱和状态的岩石样品放入一定温度的恒温水浴箱中充分加热，至稳定状态后将测量探头放入水浴箱内进行测量．岩石样品的成分和形貌测试在北京大学测量中心完成．

3 实验结果及分析

实验样品为浮岩、流纹岩、粗面岩．将形状不规则的3种样品加工成具有两面平行的50 mm×50 mm的块状，如表1所示．

测量岩石吸水量时发现，浮岩吸水量最大，样品吸水量36．15 g，吸水量为原自然状态下质量的19．26%，这与浮岩本身孔隙率较大、密度相对较小有关．粗面岩吸水量4．33 g，吸水量为原自然状态下质量的3．73%；流纹岩吸水量为2．80 g，吸水量为原自然状态下质量的1．17%．

表1 自然状态下样品的物理参数

图1为超声波通过不同吸水量浮岩中的传播速度，开始传播速度随吸水量增加很快，但吸水量增加到一定程度，传播速度基本趋于恒定．同时从图中可以看出，干燥状态与吸水后超声波的传播速度相差很大．在饱水状态下，超声波的速度为670 m／s，相对于自然状态下速度提高了0．37倍．另外，流纹岩和粗面岩也呈现出随吸水量增加速度增加的相似变化趋势．

图1 超声波在不同吸水量浮岩中的传播速度

图2 超声波在自然状态和饱水状态下不同岩石中的传播速度

图2给出了干燥状态和饱水状态三者超声波传播速度的直观比较．因水进入岩石内空隙，代替了原先空气的位置，使得岩石整体密度增加，因此超声波在饱水状态下速度要快．从图2中可以看出，粗面岩的传播速度较快．而从它们的孔隙率中看出，粗面岩的孔隙率为1．76%，在三者中并非最大．这表明传播速度除了与孔隙率有关外，还与其本身的其他岩性有关［7－8］．

图3是岩石样品的SEM形貌，可直观地看到它们的空隙和密度．流纹岩和粗面岩的密度、颗粒大小、孔隙度都很接近．相对于粗面岩和流纹岩，浮岩的颗粒较大，密度较小，空隙较大．

图3 不同岩石的形貌

将浸泡在水中已达饱和状态的岩石放入数显恒温水浴锅内加热，使岩石本身达到一定温度，将超声探头直接放于水内测量在该温度下饱水状态岩石的速度．实验中以粗面岩为测试岩样，测得的温度对传播速度的影响如图4所示．可以看出，传播速度随温度升高而增大．在15℃时达到了1 816 m／s，而在55℃时达到了2 114 m／s．