تأثیر اشباع جزئی آب بر خصوصیات میرایی سنگهای تخلخل کم

با پیشبرد تکنیک های اکتشافی ژئوفیزیکی ، اندازه گیری های درجا در مورد سرعت موج الاستیک با موفقیت برای بررسی ساختارهای زمین شناسی نزدیک به سطح و عمیق استفاده شده است. با این حال ، در تکنیک های درجا که میرایی موج های الاستیک را اندازه گیری می کنند ، به دلیل دشواری کالیبراسیون ، عدم وجود مدل های نظری و عدم دقت در اندازه گیری مقیاس میدانی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند. در حالی که خود میرایی به شدت با ویژگی های مهم جسمی رسانه های متخلخل ، مانند ترکیب سیال منافذ ، حالات استرس و ناهمگونی داخلی مرتبط است (جانستون و همکاران 1979) ، درک ویژگی های میرایی رسانه های متخلخل هنوز محدود است.

صخره ها غالباً از طریق باران یا آب زیرزمینی در معرض آب هستند. وجود آب منافذ نه تنها از دیدگاه مهندسی نقش مهمی ایفا می کند ، بلکه به طور قابل توجهی انتشار موج صوتی را تغییر می دهد. سرعت موج فشرده سازی کمی تغییر می کند تا اینکه فضای منافذ کاملاً با آب اشباع نشود زیرا هوا در مایعات منافذ تا حدی اشباع شده از سفتی مایعات منافذ کم می شود و به سختی در تقویت قاب سنگ کمک می کند. از طرف دیگر ، هنگامی که افزایش اشباع آب وجود دارد ، میرایی موج فشرده سازی - که مربوط به اتلاف انرژی است - می تواند حساسیت بیشتری نسبت به سرعت افزایش دهد (گاردنر و همکاران 1964 ؛ توکسز و همکاران 1979 ؛ ماوکو و نور 1979؛ مورفی 1982 ؛ وینکلر و نور 1982 ؛ کادورت و همکاران 1998).

چندین محقق قبلی تأثیر سیال بر سرعت موج و میرایی را بررسی کرده اند ، که عمدتاً روی سنگهای تخلخل بالا (عمدتا بیشتر از 20 ٪ تخلخل) مانند سنگ آهک (Cadoret و همکاران 1998) و ماسه سنگ (مورفی 1982 ؛ وینکلر و نور بیشتر است. 1982). بنابراین ، این مطالعه به بررسی چگونگی تأثیر اشباع آب بر خصوصیات میرایی سنگهای تخلخل کم می پردازد. تأثیر اشباع آب جزئی بر میرایی با استفاده از مدل BIOT و با انجام یک سری آزمایشات آزمایشگاهی مورد بررسی قرار می گیرد. سپس ، نتایج مدل BIOT و آزمایشات آزمایشگاهی مقایسه می شود و برخی از پیامدها مورد بحث قرار می گیرد.

2 بازآفرینی مدل BIOT: اثر اشباع جزئی آب بر میرایی

مدل BIOT (Biot 1956a ، B) می تواند در رسانه های متخلخل ، به ویژه برای مدل سازی سرعت موج و میرایی یک سنگ استفاده شود. مدل BIOT فرض می کند که مایعات منافذ فقط در جهت موازی با جهت انتشار موج جریان می یابند و حرکت مایع چسبناک از جریان poiseuille در یک لوله استوانه ای پیروی می کند. هیچ اثر متقابل شیمیایی ، الکتریکی یا حرارتی بین فازهای مختلف در مدل در نظر گرفته نمی شود. فرمولاسیون دقیق مدل BIOT و پارامترهای فیزیکی مورد استفاده در ضمیمه A. خلاصه شده است. مطالعه پارامتری زیر مدل BIOT را بازخوانی می کند و به بررسی چگونگی ویژگی های مختلف فیزیکی سنگ ها ، مانند تخلخل ، نفوذپذیری یا پارامتر اندازه منافذ ، بر تضعیف موج فشرده سازی تأثیر می گذارد(از این پس ، موج P) در یک محیط متخلخل تا حدی اشباع شده با آب. خواص سیال منافذ (به عنوان مثال ، مدول و چگالی فله) ، که در آن ترکیب آب و هوا متفاوت است ، با استفاده از روش میانگین محاسبه می شود (جزئیات بیشتر در بخش پیوست شرح داده شده است).

2. 1 تخلخل

با افزایش تخلخل افزایش می یابد زیرا میزان آب در یک منافذ در همان درجه اشباع آب بزرگتر می شود. سنگهای تخلخل بالاتر می توانند فرصت بیشتری برای تعامل بین قاب سیال و سنگی در ترک ها نسبت به سنگهای تخلخل پایین داشته باشند. به طور خاص ، شکل 1a نشان می دهد که میرایی یک سنگ تخلخل بالا (هنگامی که 30 ٪ n ، q −1 = 0. 0046) تقریبا نه برابر بزرگتر از سنگ تخلخل کم است (وقتی n = 1 ٪ ، q −1 =0. 0005) در درجه اشباع 98-99 ٪ ، که درجه اشباع مورد نیاز برای حداکثر مقدار میرایی است.

2. 2 نفوذپذیری

برای سنگهای نفوذپذیری کم ، گرادیان فشار ناشی از انتشار موج به آرامی از بین می رود و حداقل جریان مایعات در منافذ و گلوی منافذ وجود دارد. در همین حال ، برای سنگهای نفوذپذیری بالاتر ، مایعات می توانند آزادتر حرکت کنند و در نتیجه باعث از بین رفتن انرژی بیشتر در طول انتشار موج می شوند. مشخص شده است که نفوذپذیری بیشترین تأثیر را بر میزان میرایی نسبت به تخلخل و اندازه منافذ دارد و تقریباً یک مرتبه افزایش میرایی را با ترتیب افزایش بزرگی از نفوذپذیری تأثیر می گذارد ، همانطور که در شکل 1B نشان داده شده است.

2. 3 پارامتر اندازه منافذ

پارامتر اندازه منافذ نشانگر خصوصیات هندسی فضای منافذ است. همانطور که در شکل 1C نشان داده شده است ، هنگامی که سنگ دارای تخلخل و نفوذپذیری یکسان است ، با کاهش پارامتر اندازه منافذ ، میرایی افزایش می یابد. این بدان معنی است که موج در منافذ کوچکتر در همان تخلخل انرژی بیشتری از دست می دهد.

2. 4 تمایل منحنی میرایی

میرایی (q −1) با حداکثر میرایی عادی می شود (q −1_حداکثر) ، که مقدار میرایی برای شرایط تقریباً اشباع شده با آب است (یعنی 99 ٪ S). مقدار عادی ما را قادر می سازد تا بررسی کنیم که چگونه تمایل و شکل منحنی به پارامترهای مختلف سنگهای تخلخل کم بستگی دارد. اشباع میرایی-آب (q −1 /q −1_حداکثر- S) منحنی ها (از این پس ، منحنی میرایی) در شکل 2 قرار گرفته اند تا تأثیر تغییرات در نفوذپذیری و پارامتر اندازه منافذ را برجسته کنند. تخلخل به عنوان یک متغیر حذف می شود زیرا تأثیر ناچیز بر تمایل منحنی میرایی دارد. شکل 2 نشان می دهد که شکل منحنی میرایی با اشباع آب بسته به نفوذپذیری می تواند محدب ، خطی یا مقعر باشد. نفوذپذیری بالا (k ≥ 10 - 5 متر بر ثانیه در مطالعه ارائه شده) یک منحنی میرایی مقعر را تولید می کند. در مقابل ، منحنی میرایی محدب است که نفوذپذیری کمتر از 10 - 5 متر بر ثانیه باشد. شایان ذکر است که یک پارامتر اندازه منافذ کوچک یک منحنی خطی تولید می کند: منحنی میرایی تقریباً با اشباع آب خطی است وقتی که پارامتر اندازه منافذ کمتر از 1 میکرومتر است (همچنین به شکل 1C مراجعه کنید).

3 برنامه آزمایشی

3. 1 آماده سازی نمونه

چهار نمونه سنگی استوانه ای تهیه شده است ، که نشان دهنده ویژگی های تخلخل کم منحصر به فرد از سازندهای عمیق بستر در کره در کره است: دو گرانیت فرسوده و دو نمونه گل آلود. تمام نمونه ها دارای قطر 5 سانتی متر ، طول 10 سانتی متر و مقدار تخلخل کمتر از 3 ٪ بودند. چگالی خشک نمونه ها پس از خشک شدن آنها در فر در دمای 50 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت اندازه گیری شد ، در حالی که چگالی اشباع شده با آب پس از غوطه ور شدن آنها اندازه گیری شد تا اینکه توده های اندازه گیری شده به مقدار مشخصی تبدیل شوند. تخلخل مؤثر ، که اندازه گیری منافذ متصل ، اما منافذ بسته نیست ، از چگالی خشک و چگالی کاملاً اشباع شده با آب تخمین زده شد. از یک روش استاندارد که توسط انجمن بین المللی مکانیک راک (ISRM ؛ براون 1981) پیشنهاد شده است برای تعیین وزن مخصوص هر نمونه استفاده شد. خصوصیات نمونه های آزمایش شده در جدول 1 خلاصه شده است.

میرایی بسیار تحت تأثیر فرکانس و فشار محدود است. تمام اندازه گیری ها تحت فشار جوی و دمای اتاق 25 درجه سانتیگراد انجام شد. اندازه گیری FFRC در رژیم فرکانس رزونانس بین 6 تا 27. 5 کیلوهرتز انجام شد. سیگنال ها به طور مرتب ضبط می شدند تا اینکه جرم اندازه گیری شده نمونه به یک مقدار مشخص تبدیل شود ، جایی که نمونه به عنوان اشباع کاملاً آب در نظر گرفته می شد. ما متعاقباً نمونه های اشباع شده را در یک فرآیند در فر قرار دادیم و همان روش موج الاستیک و اندازه گیری جرم را تکرار کردیم.

4 نتیجه و بحث

به طور کلی ، نتایج تجربی به دور از پیش بینی مدل Biot منحرف می شود ، نشان می دهد که نتایج میرایی تجربی (شکل 4) تقریباً سفارشات بزرگتر از نتایج میرایی بیوت است (شکل 1). این دست کم گرفتن ممکن است به این دلیل باشد که مدل BIOT میکرو تکه های تصادفی را که از نزدیک با نفوذپذیری در نظر گرفته شده است ، نمی گیرد.

4. 1 میرایی تحت شرایط خشک

طبق مدل BIOT ، موج تحت شرایط خشک (یعنی 0 ٪ اشباع) از بین نمی رود. از این رو ، انتظار می رود که میرایی تهی شود ( q-1 → 0 هنگامی که S → 0). با این حال ، ضعف ها به طور غیرقابل توصیف برای نمونه های سنگ طبیعی تحت شرایط خشک اندازه گیری می شوند (به عنوان مثال ، GN1: 0. 048 ، GN2: 0. 071 ، MS1: 0. 006 و MS2: 0. 010). این اندازه گیری های تجربی نشان دهنده میرایی مواد خالص بدون اثر سیال است ، جایی که میرایی مواد با از دست دادن انرژی اصطکاک بین ترک ها (یا مرزهای دانه معدنی) در طول انتشار موج الاستیک تصمیم می گیرد (Winkler and Nur 1982). همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، نمونه های گرانیتی نسبت به نمونه های گل سنگ ، ضعف بیشتری دارند زیرا نمونه های گل سنگ بسیار سخت تر هستند و اندازه ذرات کوچکتر از نمونه های گرانیت دارند. این نشان می دهد که از دست دادن انرژی به دلیل پراکندگی موج ناشی از ناهمگونی داخلی ، مانند ریز خرد شدن ، در نمونه های گرانیتی بیشتر از نمونه های گل سنگ است.

4. 2 میرایی تحت اشباع جزئی آب

تمایل منحنی میرایی را می توان در نظر گرفت که دارای دو رژیم متمایز است: رژیم اشباع کم و رژیم اشباع میانی تا بلند. در رژیم اشباع کم ، رفتار میرایی به عنوان تابعی از اشباع توسط مکانیسم جریان مایع میکروسکوپی حاکم است (به عنوان مثال ، همانطور که توسط مدل جریان Squirt توضیح داده شده است ؛ Cadoret و همکاران 1998). از طرف دیگر ، رفتار میرایی در محدوده اشباع اواسط تا بالا توسط یک مکانیسم ماکروسکوپی اداره می شود (به عنوان مثال ، همانطور که توسط مدل BIOT توضیح داده شده است).

در یک رژیم اشباع آب کم ، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، ضعف سنگهای تخلخل کم به سختی یا کمی با اشباع آب افزایش می یابد. این منطقه اشباع را از 0 تا تقریبا 10 یا 20 ٪ پوشش می دهد. در مقابل ، در صخره های پر زحمات (به عنوان مثال ، مورفی 1982 ؛ Cadoret و همکاران 1998) ، منطقه ای که با افزایش اشباع آب ، افزایش جزئی یا اندکی در میرایی را پوشش نمی دهد ، دامنه وسیع تری از اشباع آب ، یعنی از 0 تا تقریبا 60 را پوشش می دهد. یا 70 ٪این پدیده به این دلیل است که سنگ تخلخل بالا برای آشکار کردن اثر Biot به آب بیشتری نیاز دارد ، که باعث اتصال و جدا شدن آب و جامد آب می شود.

In the mid-to-high water saturation regime, Biot model can be applicable for predicting the attenuation tendency and comparing it to measurements because Biot model is based on a macroscopic mechanism. Typical attenuation-water saturation curves are shaped as convex, linear, or concave (see Fig. 2). The attenuation curves of the granite specimens are convex, while the curves of the mudstone specimens are linear in the mid-to-high water saturation regime, as shown in Fig. 4. The linearity of the attenuation curves of the mudstone specimens is attributed to the small pore size of the mudstone specimen. In contrast to low porosity rocks, it has been presented in previous studies (e.g., Murphy 1982; Cadoret et al. 1998) that the attenuation curves of high-porosity rocks ( n>23 ٪) فرض بر این است که در رژیم اشباع اواسط تا بلند مقعر است. این شکل مقعر منحنی میرایی در سنگهای با زراعت بالا با محاسبات موجود در مدل BIOT سازگار است ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است (به عنوان مثال ، هنگامی که نفوذپذیری K از 10-5 متر بر ثانیه و پارامتر اندازه منافذ بزرگتر استاز 10 میکرومتر).

یک حلقه هیستریک از میرایی در طی فرآیندهای اشباع و خشک کردن به طور کلی در آزمایشات روی سنگهای تخلخل بالا به دلیل شرایط مختلف توزیع آب مشهود است (Cadoret et al. 1998). در مقابل ، توزیع سیال در طی فرآیندهای اشباع و خشک کردن سنگ تخلخل کم تأثیر کمی در میرایی دارد. شکل 4 نشان می دهد که مقادیر میرایی در طی فرآیند اشباع تقریباً برابر با فرآیند خشک کردن برای سنگهای تخلخل کم است.

4. 3 میرایی تحت یک شرایط کاملاً اشباع شده با آب

مقادیر تضعیف نمونه های آزمایش شده در صورت اشباع کامل تقریباً دو تا پنج برابر بیشتر از مقادیر در شرایط خشک است که در جدول 2 و شکل 4 نشان داده شده است. به طور خاص، شکل 4 نشان می دهد که نمونه های گرانیتی به شدت تحت تأثیر یکسطح اشباعGN2 (نرم ترین سنگ در مطالعه ارائه شده) نسبت به MS1 (سخت ترین سنگ در مطالعه ارائه شده) تفاوت بیشتری در میرایی بین شرایط خشک و اشباع دارد. این بدان معنی است که یک سنگ نرم (به عنوان مثال، سنگی با سختی کم و سرعت موج آهسته) به راحتی تحت تأثیر جریان سیال در طول اشباع قرار می گیرد.

جدول 2 سرعت موج اندازه گیری شده و تضعیف نمونه های آزمایش شده

شایان ذکر است که سنگ های با تخلخل بالا در شرایط کاملاً اشباع از آب افت تضعیف را نشان می دهند (به داده های مورفی 1982 مراجعه کنید؛ Cadoret و همکاران 1998). این افت به این دلیل است که وقتی آب به طور کامل منافذ یک سنگ را اشباع می کند، توزیع آب تکه ای و جریان سرپیچ رخ نمی دهد. در نتیجه، مایع منافذ نمی تواند به راحتی فشرده شود یا به منافذ مجاور جریان یابد. بنابراین، اتلاف انرژی کاهش می یابد. با این حال، این پدیده در نمونه های سنگ با تخلخل کم مورد آزمایش قرار نمی گیرد (به شکل 4 مراجعه کنید). این نتیجه نشان می دهد که سنگ های با تخلخل کم بعید است که تحت یک محیط طبیعی جوی بدون فشار اضافی به دلیل کشش سطحی آب روی شکاف های کوچک و منافذ بسته، که هر دو در طی دیاژنز سنگ تشکیل می شوند، کاملاً از آب اشباع شوند. این شرایط در زمینه های مختلف نزدیک به سطح انتظار می رود.

5. نتیجه گیری ها

این مطالعه با بررسی مدل Biot و انجام مجموعه ای از آزمایش ها، چگونگی تأثیر اشباع آب بر ویژگی های میرایی موج فشاری در سنگ های با تخلخل کم را مورد بررسی قرار داد. یافته های اصلی به شرح زیر است:

• مدل Biot نشان می دهد که نفوذپذیری مؤثرترین عامل بر میرایی ناشی از اتلاف انرژی موج توسط جریان سیال بین ترک ها (یا منافذ) است.
• نتایج تجربی بسیار از پیش بینی مدل Biot انحراف دارند و نشان می دهند که نتایج تضعیف تجربی تقریباً مرتبه ای بزرگ تر از نتایج تضعیف Biot هستند. این اختلاف (یعنی دست کم گرفتن مدل Biot) ممکن است به دلیل این واقعیت باشد که مدل Biot ریز ترک های تصادفی را که ارتباط نزدیکی با نفوذپذیری دارند، در نظر نمی گیرد.
• منحنی میرایی در مقابل اشباع می تواند محدب، خطی یا مقعر از نفوذپذیری کم تا زیاد باشد. نتایج تجربی نشان می دهد که تضعیف یک سنگ با تخلخل کم تمایل به محدب یا خطی دارد و هیچ حلقه هیستریکی در طول فرآیند اشباع و خشک کردن نشان نمی دهد.
• در رژیم اشباع کم، تضعیف سنگ های با تخلخل کم توسط مکانیزم جریان سیال میکروسکوپی (مثلاً مدل جریان Squirt) غالب می شود، در حالی که در محدوده اشباع متوسط تا زیاد، توسط یک مکانیسم ماکروسکوپی (مثلاً مدل Biot) کنترل می شود.).

منابع

• Biot MA (1956a) تئوری انتشار موج الاستیک در یک جامد متخلخل اشباع از سیال: I. محدوده فرکانس پایین. J Acoust Soc Am 28(2):168-178 ArticleGoogle Scholar
• Biot MA (1956b) تئوری انتشار موج الاستیک در یک جامد متخلخل اشباع از مایع: II. محدوده فرکانس بالاترJ Acoust Soc Am 28(2):179-191 ArticleGoogle Scholar
• Brown ET (1981) آزمایش و نظارت بر خصوصیات سنگ. چاپ پرگامون، آکسفورد گوگل اسکالر
• Cadoret T, Mavko G, Zinszner B (1998) اثر توزیع سیال بر تضعیف صوتی در سنگ های آهکی نیمه اشباع. ژئوفیزیک 63 (1): 154-160 ArticleGoogle Scholar
• Cha MS، Cho GC (2007) سرعت موج فشرده سازی نمونه های سنگ استوانه ای: تفسیر مدول مهندسی. Jpn J Appl Phys 46(7B):4497 4499 ArticleGoogle Scholar
• گاردنر GHF، Wyllie MRJ، Droschak DM (1964) اثرات فشار و اشباع سیال بر تضعیف امواج الاستیک در ماسه ها. J Petr Tech 16(2):189-198 ArticleGoogle Scholar
• Johnston DH, Toksőz MN, Timur A (1979) تضعیف امواج لرزه ای در سنگ های خشک و اشباع: II. مکانیسم هاژئوفیزیک 44(4):691-711 ArticleGoogle Scholar
• Kim DS، Kweon GC، Lee KH (1997) روش جایگزین برای تعیین مدول ارتجاعی خاک های زیر لایه فشرده با استفاده از آزمون ستون تشدید آزاد آزاد. Transport Res Rec 1577:62-69 ArticleGoogle Scholar
• Koponen A, Kataja M, Timonen J (1996) جریان پر پیچ و خم در محیط متخلخل. Phys Rev E 54(1):406-410 ArticleGoogle Scholar
• Mavko GM, Nur A (1979) تضعیف موج در سنگهای نیمه اشباع. ژئوفیزیک 44(2):161-178 ArticleGoogle Scholar
• مورفی WF (1982) اثرات اشباع جزئی آب بر میرایی در ماسه سنگ Massilon و شیشه متخلخل Vycor. J Acoust Soc Am 71(6):1458 1467 ArticleGoogle Scholar
• Santamarina JC، Klein KA، Fam MA (2001) خاک و امواج. وایلی، پژوهشگر گوگل
• Stoll RD (1980) جنبه های نظری انتقال صدا در رسوبات. J Acoust Soc Am 68(5):1341-1349 ArticleGoogle Scholar
• Toksőz MN ، Johnston DH ، Timur A (1979) تضعیف امواج لرزه ای در سنگهای خشک و اشباع: I. اندازه گیری آزمایشگاهی. ژئوفیزیک 44 (4): 681-690 ArticleGoogle Scholar
• Vaghela JG ، Stokoe KH (1995) خاصیت پویا با فشار کوچک ماسه خشک از ستون رزونانس رایگان. گزارش مهندسی ژئوتکنیک GT95-1 ، مرکز مهندسی ژئوتکنیک ، دانشگاه تگزاس در آستین ، آستین
• Winkler KW ، Nur A (1982) میرایی لرزه ای: تأثیر مایعات منافذ و کشویی اصطکاک. ژئوفیزیک 46 (1): 1-15 ArticleGoogle Scholar

تصدیق

این کار توسط مرکز فناوری Smart Infra-Structures (SISTEC) تحت Kosef و Grant (07BurbanRenaissanceB03) از برنامه توسعه شهری پیشرفته با بودجه وزارت ساخت و ساز و حمل و نقل دولت کره پشتیبانی شد.

دسترسی آزاد

این مقاله تحت شرایط مجوز غیر تجاری Creative Commons Attribution توزیع می شود که هرگونه استفاده ، توزیع و تولید مثل در هر رسانه ای را مجاز می کند ، مشروط بر اینکه نویسنده اصلی (ها) و منبع آن اعتبار داشته باشند.

اطلاعات نویسنده

نویسندگان و وابستگی ها

1. گروه مهندسی عمران و محیط زیست ، انستیتوی پیشرفته علوم و فناوری کره (KAIST) ، Taejon ، 305-701 ، کره Tae-Min OH & Gye-Chun Cho
2. بخش علوم زمین ، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی ، 1 سیکلوترون Rd. MS 90R1116 ، Berkeley ، CA 94720 ، USA Tae-Hyuk Kwon

1. Tae-Min OH