Количественная оценка характерных размеров зерен лабораторных образцов горных пород методом широкополосной оптико-акустической спектроскопии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящей работе предложена и экспериментально реализована методика количественной оценки характерных размеров зерен лабораторных образцов горных пород с использованием частотных зависимостей коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в образцах. Эти зависимости измеряются с использованием широкополосной оптико-акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука и пьезоэлектрической регистрацией наносекундных ультразвуковых импульсов в рабочем диапазоне частот 1–70 МГц. На примере пяти образцов метапесчаников зонально метаморфизованной ладожской серии палеопротерозоя Балтийского щита, претерпевших разную степень структурно-текстурных преобразований в процессе древнего метаморфизма, показана возможность применения теоретической модели рассеяния ультразвука в однофазных поликристаллических материалах для количественной оценки максимального и среднего размеров зерен в гетерофазных горных породах. Достоверность данных, полученных с использованием широкополосной оптико-акустической спектроскопии, впервые подтверждена независимым методом сканирующей электронной микроскопии аншлифов поверхностей всех образцов. Отдельно проведена оценка среднего и максимального размеров зерен с помощью традиционного метода пересечения линий по анализу оптических микрофотографий шлифов для двух выбранных образцов, которая тоже показала хорошее согласие с данными акустической спектроскопии. Предложенный метод широкополосной оптико-акустической спектроскопии для оценки характерных размеров зерен лабораторных образцов горных пород может использоваться для анализа возможной взаимосвязи между их структурными особенностями и термобарическими условиями формирования.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Б. Подымова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: npodymova@mail.ru
Россия, Москва, 119991; Москва, 123242

А. В. Пономарев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: npodymova@mail.ru
Россия, Москва, 123242

П. А. Казначеев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: npodymova@mail.ru
Россия, Москва, 123242

Т. Э. Багдасарян

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: npodymova@mail.ru
Россия, Москва, 123242

М. А. Матвеев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: npodymova@mail.ru
Россия, Москва, 123242

Г. С. Индаков

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: npodymova@mail.ru
Россия, Москва, 119991; Москва, 123242

Список литературы

  1. 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 ультразвуковой спектроскопии // ФТПРПИ. 2003. № 5. С. 3–8.
  2. Великославинский Д.С. Метаморфические зоны в Северном Приладожье и оценка температур метаморфизма кианитового и андалузитового типов регионального метаморфизма. Метаморфические пояса СССР. Л.: Наука. 1971. С. 61–70.
  3. Веселовский Р.В., Дубиня Н.В., Пономарёв А.В., Фокин И.В., Патонин А.В., Пасенко А.М., Фетисова А.М., Матвеев М.А., Афиногенова Н.А., Рудько Д.В., Чистякова А.В. Центр коллективного пользования Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН “Петрофизика, геомеханика и палеомагнетизм” // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. № 2. С. 0579.
  4. Воробьев Р.И., Сергеичев И.В., Карабутов А.А., Миронова Е.А., Саватеева Е.В., Ахатов И.Ш. Применение оптоакустического метода для оценки влияния пустот на трещиностойкость конструкционных углепластиков // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 2. С. 148–153.
  5. ГОСТ 21073.3-75. Цветные металлы. Определение величины дерна методом подсчета пересечений зерен. М.: Изд-во стандартов. 2002.
  6. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. М.: Изд-во стандартов. 2003.
  7. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука. 1991. 304 с.
  8. Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Экспериментальные исследования влияния трещиноватости горных пород и модельных материалов на скорость распространения продольной волны // Физика Земли. 2020. № 4. С. 39–50.
  9. Жуков В.С., Кузьмин Ю.О. Сопоставление подходов к оценке сжимаемости порового пространства // Записки Горн. ин-та. 2022. Т. 258. № 6. С. 1008–1017.
  10. Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использованием термооптических источников продольных волн // ФТПРПИ. 2004. № 3. С. 14–19.
  11. Никитин А.Н., Иванкина Т.И., Игнатович В.К. Особенности распространения продольных и поперечных упругих волн в текстурированных горных породах // Физика Земли. 2009. № 5. С. 57–69.
  12. Подымова Н.Б., Пономарев А.В., Морозов Ю.А., Матвеев М.А., Смирнов В.Б., Шарычев И.В. Исследование структуры метапесчаников методом широкополосной акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука // Геофизические процессы и биосфера. 2023. Т. 22. № 4. С. 13–24.
  13. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия. 1976. 271 с.
  14. Турунтаев С.Б., Зенченко Е.В., Зенченко П.Е., Тримонова М.А., Барышников Н.А., Новикова Е.В. Динамика роста трещины гидроразрыва по данным ультразвукового просвечивания в лабораторных экспериментах // Физика Земли. 2021. № 5. С. 104–119.
  15. 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.
  16. Шкуратник В.Л., Ноздрина Н.Д. Теоретические предпосылки количественной оценки размеров минерального зерна ультразвуковым методом // ФТПРПИ. 1998. № 6. С. 104–111.
  17. ASTM E112-13. Standard test methods for determining average grain size. ASTM. 2021.
  18. Atapour H., Mortazavi A. The influence of mean grain size on unconfined compressive strength of weakly consolidated reservoir sandstones // J. Petrol. Sci. Eng. 2018. V. 171. P. 63–70.
  19. Austin N.J. An experimental investigation of textural controls on the brittle deformation of dolomite. MSc. Thesis. Vancouver: The University of British Columbia. 2003. 106 p.
  20. Baud P., Teng-fong Wong, Wei Zhu. Effects of porosity and crack density on the compressive strength of rocks // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2014. V. 67. P. 202–11.
  21. Chen B., Xiang J., Latham J.-P., Bakker R.R. Grain-scale failure mechanism of porous sandstone: An experimental and numerical FDEM study of the Brazilian tensile strength test using CT-Scan microstructure // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2020. V. 132 Art. № 104348.
  22. El Azhari H., El Hassani I. Effect of the number and orientation of fractures on the P-wave velocity diminution: application on the building stones of the Rabat area (Morocco) // Geomaterials. 2013. № 3. P. 71–81.
  23. Fitting D.W., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. New York: Plenum Press. 1981. 354 p.
  24. 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 Int. 2023. V. 138. Art. № 102868.
  25. Han Q., Gao Y., Zhang Y. Experimental study of size effects on the deformation strength and failure characteristics of hard rocks under true triaxial compression // Adv. Civil Eng. 2021. V. 2021. Art. № 6832775.
  26. He W., Hayatdavoudi A. A comprehensive analysis of fracture initiation and propagation in sandstones based on micro-level observation and digital imaging correlation // J. Petrol. Sci. Eng. 2018. V. 164. P. 75–86.
  27. He W., Hayatdavoudi A., Shi H., Sawant K., Huang P. A preliminary fractal interpretation of effects of grain size and grain shape on rock strength // Rock. Mech. Rock. Eng. 2019. V. 52. P. 1745–1765.
  28. Higgins M.D. Quantitative textural measurements in igneous and metamorphic petrology. Cambridge University Press. 2006. 265 p.
  29. Iravani A., Ouchterlony F., Kukolj I., Åström J.A. Generation of fine fragments during dynamic propagation of pressurized cracks // Phys. Rev. E. 2020. V. 101. Art. № 023002.
  30. Ishida T., Sasaki, S., Matsunaga I., Chen Q., Mizuta Y. Effect of grain size in granitic rocks on hydraulic fracturing mechanism.Proceedings of Sessions of Geo-Denver 2000 – Trends in Rock Mechanics. GSP 102. 2000. V. 290. P. 128–139.
  31. Jeong H., Hsu D.K. Experimental analysis of porosity-induced ultrasonic attenuation and velocity change in carbon composites // Ultrasonics. 1995. V. 33. № 3. P. 195–203.
  32. 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.
  33. Liu S., Zhang Y., Zhang H., Zhang J., Qiu M., Li G., Ma F., Guo J. Numerical study of the fluid fracturing mechanism of granite at the mineral grain scale // Frontiers in Earth Science. 2023. V. 11. Art. № 1289662.
  34. Mylavarapu P., Woldesenbet E. A predictive model for ultrasonic attenuation coefficient in particulate composites // Compos. Part B Eng. 2010. V. 41 № 1. P. 42–47.
  35. Pan C., Zhao G., Meng X., Dong C., Gao P. Numerical investigation of the influence of mineral mesostructure on quasi-static compressive behaviors of granite using a breakable grain-based model // Frontiers in Ecology and Evolution. 2023. V. 11. Art. № 1288870.
  36. Papadakis E.P. From micrograph to grain size distribution with ultrasonic applications // J. Appl. Phys. 1964. V. 35. № 5. P. 1586–1594.
  37. Peng J., Wong L.N., Teh C.I. Influence of grain size heterogeneity on strength and microcracking behavior of crystalline rocks // J. Geophys. Res.: Solid Earth. 2017. V. 122. P. 1054–1073.
  38. Philpotts A.R., Ague J.J. Principles of igneous and metamorphic petrology. Cambridge University Press. 2022. 667 p.
  39. Platt J. A process-based theory for subgrain-size and grain-size piezometry // J. Struct. Geol. 2023. V. 177. Art. no. 104987.
  40. Podymova N.B., Karabutov A.A. Nondestructive assessment of local microcracking degree in orthoclase and plagioclase feldspars using spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses // Ultrasonics. 2022. V. 125. Art no. 106796.
  41. Reynolds W.N., Smith R.L. Ultrasonic wave attenuation spectra in steels // J. Phys. D: Appl. Phys. 1984. V. 17. P. 109–116.
  42. Sarpun I.H, Kilickaya M.S. Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first backwall echo height measurements // NDT&E Int. 2006. V. 39. P. 82–86.
  43. Schön J.H. Physical properties of rocks. A workbook. Elsevier. 2011. 481 p.
  44. Stanke F.E., Kino G.S. A unified theory for elastic wave propagation in polycrystalline materials // J. Acoust. Soc. Am. 1984. V. 75. № 3. P. 665–681.
  45. Stipp M., Tullis J., Scherwath M., Behrmann J.H. A new perspective on paleopiezometry: Dynamically recrystallized grain size distributions indicate mechanism changes // Geology. 2010. V. 38. P. 759–762.
  46. Vary A. Material property characterization. Nondestructive testing handbook. Ultrasonic testing / Moore P.O. (ed.). Columbus: ASTM. 2007. P. 365–431.
  47. Vavilov V.P., Karabutov A.A., Chulkov A.O., Derusova D.A., Moskovchenko A.I., Cherepetskaya 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 Thermogr. J. 2019. V. 17. № 4. P. 235–248.
  48. Weaver R.L. Diffusivity of ultrasound in polycrystals // J. Mech. Phys. Solids 1990. V. 38. № 1. P. 55–86.
  49. Zhang Sh., Wu Sh., Zhang G. Strength and deformability of a low-porosity sandstone under true triaxial compression conditions // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2020. V. 127. Art. № 104204.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема расположения точек опробования метапесчаников в разнотемпературных зонах метаморфизма пород ладожской серии палеопротерозоя Балтийского щита. Изограды: Gr – граната, Stav – ставролита, Sill + Musk – силлиманит-мусковита, Sill + Ort – силлиманит-ортоклаза, Hyp – гиперстена. Оценки температур (Т) и давления (Р) даны по работе [Великославинский, 1971].

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема широкополосного акустического спектрометра с лазерным оптико-акустическим источником ультразвука.

Скачать (286KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (а) – Временная форма, (б) – амплитудный и (в) – фазовый спектры опорного импульса продольных ультразвуковых волн, возбуждаемого в ОА источнике СЗС-22.

Скачать (403KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Частотные зависимости коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн α (f) (а), (в), (д), (ж), (и) и эти же зависимости в координатах α / f2 (f2) (б), (г), (е), (з), (к) для исследованных образцов метапесчаников: (а), (б) – ЛВ2140; (в), (г) – ЛВ2093; (д), (е) – ЛВ2138; (ж), (з) – ЛВ1312; (и), (к) – ЛВ1356.

Скачать (1MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Примеры СЭМ-изображений аншлифов исследованных образцов метапесчаников: (а) ЛВ2140, (б) ЛВ2093, (в) ЛВ2138, (г) ЛВ1312, (д) ЛВ1356. Cpx – клинопироксен, Amph – амфибол, Pl – плагиоклаз, Qu – кварц, Kfs – калишпат, Mica – слюда, Bt – биотит, Ilm – ильменит, Rt – рутил, Chp – халькопирит.

Скачать (2MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Оценка размеров зерен по данным оптической микроскопии образца ЛВ1356: микрофотография масштаба 200 мкм (а) и соответствующая ей оценка распределения зерен (в); микрофотография масштаба 100 мкм (б) и соответствующая ей оценка распределения зерен (г).

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Оценка размеров зерен по данным оптической микроскопии образца ЛВ1312: микрофотография масштаба 500 мкм (а) и соответствующая ей оценка распределения зерен (в); микрофотография масштаба 100 мкм (б) и соответствующая ей оценка распределения зерен (г).

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Графики функции g (D), полученные для логнормальных аппроксимаций распределений зерен по размерам по микрофотографиям образцов ЛВ1312 в масштабе 500 мкм (1) и 100 мкм (2), ЛВ1356 в масштабе 200 мкм (3) и 100 мкм (4). Серым прямоугольником выделен искомый диапазон значений g (D), соответствующий объему выборки, охваченной акустической спектроскопией.

Скачать (575KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024