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变形岩石的超声波研究

2022-01-10 | 来源:本网原创
岩石的结构、构造往往具有不均一性,因而表现出物理力学性质的各向异性。超声波技术就是通过研究岩石的各向异性来了解岩石的构造变形特征勿微观构造。本文论述了这一方法的基本原理,介绍了检测方法,

岩石的结构、构造往往具有不均一性,因而表现出物理力学性质的各向异性。超声波技术就是通过研究岩石的各向异性来了解岩石的构造变形特征勿微观构造。本文论述了这一方法的基本原理,介绍了检测方法,探讨丁如何应用此法来确定主应变轴的空间方位却划分不同构造变形期次、确定岩石中微孔隙的排列方位和矿物定句组构、恢复古构造应力场、区分原生和次生各向异性等。

关键词变形岩石超声波构造应力场岩石物理力学性质

近年来,国内外学者注意利用超声波技术来研究岩石的微观构造和变形特征、划分变形期次、确定主应变轴方位、探讨恢复古构造应力场。

这一方法的基本原理是岩石,尤其是变形岩石具有物理力学性质的各向异性,这种性质对弹性波的传播反应敏感,表现出在传播弹性波速度上具有方向性。成岩作用和构造作用均能使岩石的结构、构造具有不均一性,因而,岩石的各向异性可分为原生(成岩)和次生(构造变形)两种类型。影响岩石传播弹性波速度的因素主要是密度,而密度直接与组成岩石的矿物成分和结构、矿物颗位大小和排列方式、粒间和粒内变形、;二隙(孔洞和微裂隙〉大小和排布、岩石中流体性质和充填流体的多少等相关。只要上述因素在岩石内呈现出规律性,即有序排列,是隐性的,岩石传播弹性波的速度就能具有方向性。所以,可以用测定弹性波传播速度的方法来研究岩石的各向异性,进而研究岩石的微观构造,探讨构造变形和恢复古构造应力场【2) 。

1 检测方法

测定岩石传播弹性波速度的方法很多,这里介绍以下二种:

(1)将岩石标本切成二面平行的块体,相平行的面大小约5X5cm ,厚度1~5cm 。选用频率较高的换能帮(探头)和超声波测试仪相连接,澳~定纵波速度(Vp ) 和横波速度(V,) 。利用已有的经验公式可求出反映岩石力学性质的有关参数,如弹性模量、泊松比等。在所研究的构造区段或矿床范围内,均匀地规律地采集岩矿石标本,分别测得町、仇,编制出相应的等值线图,这将有助于研究不同物理力学性质岩矿石的分布规律、地质体的各向异性特征和构造变形特征ω 。(2) 采集岩石定向标本,切制成厚约lc m 的定向溥饭.将其固定在带360。方(主要IJ 度的可转动的载物台上.高频探头可抵住薄板上下平面.按每隔30。的方位角测定吟。.-般一块岩石薄板要规律地测36-43 个点,然后将数据投在施密特网上,可编出带方位的町等值线图和各向异性图解【飞这是类似于岩组图的具有数个极大值和极小值的复杂方位图形,宫是岩石内矿物颗粒、宏观微观孔隙排布等结构构造的综合反映(图1) 。

2 实际应用

2. 1 确定主应变轴的空间方位和划分构造变形期次

一片理配2-层理菌3一苟英脉与周密的接触面V. 等值线图。标本采自凝灰质砂岩中的石英脉。石英脉中石英颗粒均匀,在普通偏光显微镜下观察和野外节理测量均无明显的构造定向统计规律。从图中可以看出,具有一个极小值和明显的极大值,极小值垂直予高值带,可以有把握地确定a 、b 、c 三个主应变铀的方位。A . 凡CaM'∞HOB (1 982) 在研究额尔齐斯福皱带中的矿床时采用上述方法来进行构造变形分析。图2 是他对一小型槽皱所测定的问编制的图解.精皱的南西翼被沿辅面劈理发育的剪切断裂所切过,北东翼发育次级榴皱,转折端强烈发育小揉皱。在两翼和转折端采集定向标本,测得町,编制出各向异性系数图解。A 、B 图解具有明显的高值带,它平行于层理或袖面劈理。带中可以分出二个极大值,其中一个平行槽皱轴,另一个〈常缺乏〉平行输面劈理的倾向【盯。如果图形中出现不只一个高值带,则可能表明岩石经受了不只一次的构造变形,结合其它构造观测和分析,就可以确定不同期次构造的成生时序,从而确定每一期构造变形的主应变输方位。

2.2 确定岩石中孔隙排列的方位

构造应力作用不仅可以使组成岩石的矿物产生走向排列,而且可使岩石中的孔隙产生变形、变位、连通而形成新的裂隙,构成有序的孔隙带。图加, b 是样品在完全干燥(一般在105 'C 烘箱内经24h 烘于〉和水饱和(一般浸没在水中3~5 昼夜〉二种情况下分别测得的刊所编制出的等值线图, c 是上述Vp的差值(△Vp.) 编制出的等值线图。干燥条件下测得的Vp, 其各向异性是岩石中矿物颗粒定向排列和孔隙有序分布的综合反映,水饱和条件下测得的Vp的各向异性基本上只反映矿物定向排列的规律,△Vp 则是孔隙带有序分布的反映,其极大值中心代表了孔隙带极点的方位。据此可求出孔隙带的产状(2) 。

2, 3 恢复古构造应力场
在岩石塑性变形量不大,尤其是仪表现为脆性变形的情t咒下,岩石的各向异性主要以微细孔惊的有序排布表现出来。实验统计表明,岩石的纵波速度各向异性系数极大值的位置与矶的方位一致,极小值位置与的方位一致。在比较简单的构泼地质条件下,我们再根据声发射凯瑟效应测量出岩石中先存应力的大小ω . 这就不仅可以获得采样点主应力铀厅位,而且可以得到该点最大主应力值。如果再辅以其他方法,有可能使古构造应力场的研究全面定量化.确定出同一点的主应力输方位和主应力值。

此外,利用超声波技术研究岩石的各向异性及其实质,编制相应的图件,可进行控矿构造分析,参与成矿预测川〕。对岩性单一的巨厚沉积岩层和火山玩积岩层,应用此法可进行微细层的划分和对比[飞对深钻岩芯系统进行超声波研究,可为了解地壳结构提供有意义的资料,如前苏联学者运用此法研究科拉半岛超深钻岩芯取得了大量成果,提出了不少新的认识。

值得注意的是.研究中要注意区分原生和次生各向异性,通常用对比研究的办法可以将它们区分开来。采集岩石标本时,注意采集远离构造带没有变形或变形很微弱的同一种岩石,将其检测结果与构造带内标本的检测结果进行对比.求出△vp ,则△vp等值线图就是构造变形产生的各向异性的反映。

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