巖石特性對超聲波傳播速度的影響

鄭志遠(yuǎn)，王思雯，金子梁

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）物理實驗教學(xué)示范中心，北京100083）

1 引 言

超聲波測試作為一種無損檢測技術(shù)，在巖石力學(xué)領(lǐng)域和地質(zhì)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用．超聲波的傳播受到巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水量、壓力和溫度等諸多因素的影響［1－8］．

關(guān)于超聲波與巖石之間的關(guān)系已有大量的研究．張洪平等通過研究聲波在巖樣內(nèi)傳播的波形規(guī)律，了解了巖樣受到外界壓力后的結(jié)構(gòu)特性，并對巖石聲波測量裝置進(jìn)行了研究［9］．馬中高等通過對實測數(shù)據(jù)的分析，提出了定量表述這種速度對有效壓力的依賴關(guān)系，可用于速度壓力校正、壓力趨勢分析及時移地震監(jiān)測分析［10］．Ledebev等測定了在壓力為600 MPa、溫度為900℃的條件下含有沸石和不含沸石的玄武巖的縱、橫波波速，研究了玄武巖中水化反應(yīng)和脫水反應(yīng)對波速的影響［11］．翟小潔等通過超聲波對單軸壓縮實驗中巖石擴(kuò)容現(xiàn)象的測試，分析了超聲橫波在不同巖石壓縮過程中的傳播情況，利用超聲橫波的特性測出巖石在壓縮的不同階段的微裂紋發(fā)展情況和體積變化情況，進(jìn)一步證明不同巖石在單軸壓縮過程中擴(kuò)容的時間和程度存在差異［12］．到目前為止，在水與巖石超聲性能的研究中，多數(shù)情況是將干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)進(jìn)行對比，而對不同吸水量情況下的研究較少．

本文以浮巖、粗面巖、流紋巖等作為測試巖樣，分析了巖石成分、吸收率、孔隙度等物理量對超聲波的影響，重點測量了巖石吸水量和環(huán)境溫度與超聲波傳播速度之間的關(guān)系．

2 實驗測量

實驗主要利用聲速測量原理，使用的儀器主要為ZKY－SS聲速測定試驗儀、DS1042C數(shù)字示波器、恒溫水浴箱等．實驗儀器調(diào)整好后，將巖石固定在2個探頭之間，再用信號發(fā)生器發(fā)出正弦超聲波．調(diào)整信號發(fā)生器，使其發(fā)出脈沖超聲波，觀察示波器圖像，記下超聲波通過巖石的時間．通過巖石的厚度獲得超聲波的傳播速度．所謂飽水狀態(tài)是將巖石樣品浸泡在水槽中使其充分吸水，48 h后取出，測量超聲波通過的時間．巖石樣品的不同環(huán)境溫度是通過數(shù)顯恒溫水浴箱來實現(xiàn)．將已達(dá)飽和狀態(tài)的巖石樣品放入一定溫度的恒溫水浴箱中充分加熱，至穩(wěn)定狀態(tài)后將測量探頭放入水浴箱內(nèi)進(jìn)行測量．巖石樣品的成分和形貌測試在北京大學(xué)測量中心完成．

3 實驗結(jié)果及分析

實驗樣品為浮巖、流紋巖、粗面巖．將形狀不規(guī)則的3種樣品加工成具有兩面平行的50 mm×50 mm的塊狀，如表1所示．

測量巖石吸水量時發(fā)現(xiàn)，浮巖吸水量最大，樣品吸水量36．15 g，吸水量為原自然狀態(tài)下質(zhì)量的19．26%，這與浮巖本身孔隙率較大、密度相對較小有關(guān)．粗面巖吸水量4．33 g，吸水量為原自然狀態(tài)下質(zhì)量的3．73%；流紋巖吸水量為2．80 g，吸水量為原自然狀態(tài)下質(zhì)量的1．17%．

表1 自然狀態(tài)下樣品的物理參數(shù)

圖1為超聲波通過不同吸水量浮巖中的傳播速度，開始傳播速度隨吸水量增加很快，但吸水量增加到一定程度，傳播速度基本趨于恒定．同時從圖中可以看出，干燥狀態(tài)與吸水后超聲波的傳播速度相差很大．在飽水狀態(tài)下，超聲波的速度為670 m／s，相對于自然狀態(tài)下速度提高了0．37倍．另外，流紋巖和粗面巖也呈現(xiàn)出隨吸水量增加速度增加的相似變化趨勢．

圖1 超聲波在不同吸水量浮巖中的傳播速度

圖2 超聲波在自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下不同巖石中的傳播速度

圖2給出了干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)三者超聲波傳播速度的直觀比較．因水進(jìn)入巖石內(nèi)空隙，代替了原先空氣的位置，使得巖石整體密度增加，因此超聲波在飽水狀態(tài)下速度要快．從圖2中可以看出，粗面巖的傳播速度較快．而從它們的孔隙率中看出，粗面巖的孔隙率為1．76%，在三者中并非最大．這表明傳播速度除了與孔隙率有關(guān)外，還與其本身的其他巖性有關(guān)［7－8］．

圖3是巖石樣品的SEM形貌，可直觀地看到它們的空隙和密度．流紋巖和粗面巖的密度、顆粒大小、孔隙度都很接近．相對于粗面巖和流紋巖，浮巖的顆粒較大，密度較小，空隙較大．

圖3 不同巖石的形貌

將浸泡在水中已達(dá)飽和狀態(tài)的巖石放入數(shù)顯恒溫水浴鍋內(nèi)加熱，使巖石本身達(dá)到一定溫度，將超聲探頭直接放于水內(nèi)測量在該溫度下飽水狀態(tài)巖石的速度．實驗中以粗面巖為測試巖樣，測得的溫度對傳播速度的影響如圖4所示．可以看出，傳播速度隨溫度升高而增大．在15℃時達(dá)到了1 816 m／s，而在55℃時達(dá)到了2 114 m／s．

圖4 超聲波在粗面巖不同溫度下的傳播速度

4 結(jié) 論

本文對超聲波通過3種不同巖石的自然狀態(tài)、飽水過程和不同溫度下飽水狀態(tài)的速度進(jìn)行了初步測量和分析．傳播速度受巖石樣品吸水量的影響明顯，這主要是與巖石的內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)．除此之外，傳播速度還要受到巖石本身的密度、成分、所處溫度等因素的影響．

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［9］ 張洪平，蘇維嘉．巖石聲波測量裝置研究［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，27（6）：113－115．

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［11］ Lebedev E B，Kern H．The effect of hydration and dehydration reactions on wave velocities in basalts［J］．Tectonophysics，1999，308（3）：331－340．

［12］ 翟小潔，傅榮華．巖石擴(kuò)容與超聲波橫波速率關(guān)系研究［J］．西南科技大學(xué)學(xué)報，2007，22（1）：39－42．