Динамические хар-ки упругости влагосодержащих мерзлых пород

скорость распространения продольных волн в мерзлых п\ах в зав-ти от температуры монотонно возрастает. Изменение скорости продольных волн обусловлено кол-вом образовавшегося порового льда и степенью цементации им п\ды. Наибольшее скачкообразное изменение наблюдается в песках (до 250%), т.к. в них при переходе ч\з нулевое значение температуры замерзает большая часть влаги. Для глин и глинистых п\д скачкообразное изменение скорости v _p при переходе ч\з нулевое значение наименьшее – 10-20%, т.к. большая часть их влажности приходится на связную воду. Весьма существенное влияние на распространение продольных волн оказывает льдистость мерзлой п\ды.

Определяющее влияние на упругие св-ва мерзлых п\д оказывают: а)фазовый состав (количество, состояние и распределение незамерзшей воды); б)льдистость и мерзлотная текстура (кол-во и распределение выделившегося в п\де льда).

Коэф. Пуассона  для мерзлых п\д слабо зависит от влажности и темпер-ры и при расчетах м.б. принят за константу; (для песка 0,2-2,2, для глин.п\д (каолин) – 0,35-0,4, для суглинка – 0,33-0,38).в среднем для глин. п\д 0,37.

Температурная зав-ть модулей упр-ти криогенных образований в значительной степени обусловлена изменением фазового состава заполнителя. Вымерзание жидкой фазы при понижении температуры приводит к укреплению пространственной криогенной стр-ры, а след-но и к увеличению ее упр-ти (жесткости). Наблюдается хар-ная зав-ть модулей упр-ти от льдистости п\ды и степени заполнения пор.

51.Коэффициент анизотропии упругих св-в скальных мерзлых пород.

Коэф-нт анизотропии скальных ГП зависит от сухого состояния. Водонасыщенность приводит к уменьшению анизотропии. Зн-я анизотропии мерзлых ГП не превышает 1,2-1,3.

52.Электрические св-ва льда в постоянном электрическом поле.

Зависят от состава незамерзшей воды, криогенной стр-ры и темпер-ры. В монокристаллах чистого льда проводимость не наблюдается. Примесные кристаллы льда м. им. заметную эл. проводимость. УЭС такого льда равно или меньше 10⁸ Ом*м. УЭС льда горных ледников 10⁵-10⁷ Ом*м, УЭС подземного льда 10⁴-10⁶ Ом*м. Наличие соли в исходном р-ре еще больше снижает УЭС, т.е. величина эл. проводимости пропорциональна его солености и темпер-ре. Поликристалл. лед обладает поляризуемостью. Такой лед представляет собой несовершенный диэлектрик. Возник. поликристаллического льда в мерзлых породах м. оказать заметное влияние на эл. св-ва всей ГП. Но во влагонасыщенном песке при быстром замерзании обр. массивную мерзлую стр-ру.

53.Электрические св-ва мерзлых пород в постоянном эл.п.

Электрическая проводимость мерзлых пород имеет ионную природу. Она осущ-ся за счет подвижных ионов диффузного слоя (за счет рыхлосвязанной воды). В процессе фазовых переходов в породе сильно изм. стр-ра порового простр-ва за счет выделения льда. Поры сужаются, возник. новые криогенные стр-ры. Обобщение данных исследований позволяет установить, что в скальных породах объем вкл. льда опр-ся трещиноватостью пород. Величина УЭС увел. при промерзании тем больше, чем больше трещиноватость и открытая пористость и степень водонасыщения. Это возрастание нах. в пределах 10-12 раз. В мерзлых скальных массивах УЭС больше, чем УЭС сильно трещиноватых пород. При промерзании тонкодисперсных отложений обр. массивная криоструктура. Зн-я кажущегося сопротивления м. увел. на 1-2 порядка (10-100 раз). При образовании жильных льдов – 400-5000 раз. В грубообломочных мерзлых породах – в 100 раз.

54.Повышение минерализации поровых вод и ее влияние на электрические св-ва мерзлых пород.

С увеличением минерализации воды, содержащейся в ГП, снижается темпер-ра замерзания этой воды и изм. кажущегося сопротивления. Минерализация влияет на тип криоструктуры. Это обуславливает особенности размещения льда в породе и св-ва самих включений льда. При высоких концентрациях влияние минерализации поровой воды на кажущееся сопротивление очень велико. Значения УЭС мерзлых пород в зависимости от темпер-ры, влажности, минерализации порового р-ра, литологических и ПФ особенностей может меняться от 1 до 10⁶ Ом*м. Относительная дифференциация или контрастность ГП по УЭС после промерзания сохраняется. У обломочных пород эта контрастность увеличивается.

55.Поляризация мерзлых ГП.

Для поляризуемости мерзлых пород важное зн-е имеют качественное и количественное преобразования стр-р порового простр-ва в процессе промерзания ГП. С промерзанием связано обр. новых пор. По поляризуемости сущ-ет широкая дифференциация мерзлых песчано-глинистых пород по сравнению с теми же породами в талом состоянии. При этом дифференциация пород по поляризуемости уменьшается от грубозернистых к тонкодисперсным. В электроразведочных методах опр-е УЭС и поляризуемости наиболее эффективно для опред-я минерализации мерзлых пород и межмерзлотных пространств.

56.Особенности поляризации льда и мерзлых пород в переменном эл.п.

Разброс зн-ий набл. в завис. Диэл. прониц-ти и тангенса ДЭ потерь. В монокристаллах чистого льда под дей-ем переменного эл/м поля возник. поляризация  (за счет перераспределения плотностного заряда) и  (за счет перемещения протонов в кристалле). Изменение полярности эл.п. обуславливает перемену знаков дипольных моментов мол-л. При этом часть энергии рассеивания переходит в энергию колебания кристалл. решетки. Это и будут ДЭ потери. Для монокристаллов и поликристаллов пресного льда применима теория с одним временем релаксации 10⁴ с. Область аномально частотной дисперсии для пресного льда нах. в пределах 10⁴ Гц. При этом снижение темпер-ры приводит к уменьшению частоты дисперсного перехода. Различия в текстуре поликристаллического пресного льда сказывается на значениях ДЭ прониц-ти.

 

 

57.Частотная и температурная дисперсия электрических св-в в мерзлых породах в условиях переменного эл/м поля.            

В мерзлых породах наблюдается частотная и температурная дисперсия эл. св-в. Хар-р этой дисперсии опр-ся фазовым состоянием. Для мерзлых пресных кварцевых песков, глинистых пород частотная зав-ть ДЭ прониц-ти сдвигается в область наибольшего увеличения частоты, темпер-ые зависимости ДЭ прониц-ти в мерзлых пресных песках нах. в пределах от 0 до –2⁰С. Эффект увеличения ДЭ прониц-ти при переходе в мерзлое состояние уменьш-ся с увеличением частоты, а на частотах 10⁵-10⁸ Гц почти полностью исчезает.

58.Экспериментальные данные о поляризуемости терригенных пород (песок, глина) при изменениях температуры.

Эксперименты выполненные на образцах смеси кварцевого песка и каолина при темпер-ре от 0 до –60⁰С показывают:

1.Величина ДЭ прониц-ти во всех случаях уменьшается при уменьшении темпер-ры. Но если темпер-ра постоянна, то зн-е ДЭ прониц-ти выше для более глинистых пород, чем для песчаников.

2.Низкотемпер-ые зн-я ДЭ прониц-ти всех смесей практически одинаковы.

3.Макимум коэф-та потерь ДЭ прониц-ти сдвигается в область низких темпер-р при увел. глинистости.

4.При содержании глины (каолина) в смеси больше 5% отмечаются черты темпер-ой зависимости ДЭ прониц-ти, характерные для мерзлых глинистых пород.

5.Содержание каолина до 20-30% обуславливает идентичность эффективной ДЭ прониц-ти смеси и чистого мерзлого каолина (смесь ведет себя как глина).

Влияние засоленности на ДЭ прониц-ть мерзлого кварцевого песка при темпер-ре от 0 до –30⁰С в диапазоне частот 10²-10⁶ Гц показ. след.: если концентрация порового р-ра меньше, чем 10³, то зн-е ДЭ прониц-ти засоленного мерзлого песка не отличается от пресного при любых частотах. При большой концентрации р-ра диапазон частот дисперсии ДЭ прониц-ти смещен с более высоких частот (10⁵-10⁷ Гц). При темпер-ре на 10-15⁰С ниже зн-е ДЭ прониц-ти засоленого грунта примерно такие же как для пресного грунта. Рез-ты изучения электроакустического эффекта в мерзлых засоленных песках при темпер-ре до –50⁰С подтвердили вышесказанное и позволили уточнить хар-р возрастания степени дисперсности.

59.Криогенный процесс на планетах Солнечной системы (Луна, Марс, Меркурий, Венера).

Криогенный процесс св-ен не только Земле, но и др. планетам СС. Мат-ой основой криогенных процессов м.б. вода (при темпер-ре замерзания 0⁰С), диоксид углерода (темпер-ра замерзания –57⁰С), аммиак (темпер-ра замерзания –78⁰С). Влияние низкого давления сказывается на уменьшении темпер-ры, выше которой это в-во м. нах. только в газообразном состоянии. Например, на Марсе при давлении 900Па темпер-ра кипения равна 6⁰С.

Луна: в затемненных областях преобл. мерзлые породы, в местах газовых выбросов обр-ся криоконденсаты. В средних и высоких широтах м. ожидать суточные промерзания и протаивания.

Марс: темпер-ра меньше темпер-ры Земли. Резкие суточные и сезонные колебания: в экваториальном поясе в полдень от 0 до –25⁰С, ночью от -40 до –50⁰С. На теневой стороне ночью –120⁰С. Криолитосфера состоит из мерзлых эоловых и элювиальных отложений.     

Меркурий: большое кол-во кратеров диаметром до 300м, глубиной до 70 м. Ночью темпер-ра равна –120⁰С. Развиты мерзлые породы. Криосфера состоит из углекислоты, а не из воды.

Венера: можно ожидать формирование кристаллов воды и углекислоты в атмосфере. Возможен криогенный экран. Ночью в околополярных районах возможны кристаллоконденсаты.

60.Криогенный процесс на планетах Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун).

Криогенный процесс св-ен не только Земле, но и др. планетам СС. Мат-ой основой криогенных процессов м.б. вода (при темпер-ре замерзания 0⁰С), диоксид углерода (темпер-ра замерзания –57⁰С), аммиак (темпер-ра замерзания –78⁰С). Влияние низкого давления сказывается на уменьшении темпер-ры, выше которой это в-во м. нах. только в газообразном состоянии.

Юпитер: Имеет свою криоатмосферу. Наружный слой облаков состоит из кристаллического аммиака, нижний – из льда и воды. Темпер-ра равна от -120 до –170⁰С. Спутники Юпитера Ганемет и Южная Европа покрыты кристаллическим панцирем, состоящим из углекислоты.

Имеют свои криоатмосферы Сатурн, Уран и Нептун. Кольца Сатурна – это криогенные кольца шириной 130000 км, толщиной 60 км (лед и вода). Спутники Сатурна Ариэль и Мирианда им. темпер-ру –120⁰С. Вулканы извергают лаву с темпер-рой –33⁰С – это лед с нашатырем.

61.Упругие св-ва водосодержащих пород при сверхнизких температурах.

Упругие св-ва обуславливаются двумя процессами:

1.Переход связанной воды в лед. Это ведет к увеличению скоростей продольных и поперечных волн.

2.Температурная трещиноватость. Ведет к уменьшению скоростей прод. и поперечных волн.

При глубоком охлаждении водонасыщенных обломочных пород зн-я скорости продольной волн им. экстремум, величина которого зависит не только от состава породы, но и от режима охлаждения. Кривая нагревания б. значит-но отличаться от кривой охлаждения. Образцы, охлажденные до –20⁰С, при оттаивании сохраняют свою форму, в то время как такие же образцы, охлажденные до –100⁰С, после оттаивания разрушаются. Это значит, что охлаждение и образование криогенной стр-ры так дей-ет на породу, что даже связи м-у частицами нарушаются.

Влияние низких и сверхнизких темпер-р на скорость прод. волн в газе: газ – это один из возможных компонентов порозаполнителя. Установлено, что при темпер-ре 0, -50, -100, -200, -273⁰С зн-я скорости звука соотв-но равны 331, 298, 264, 172, 0 м/с. Это явление сказывается на скорости прохождения упругой волны. В мерзлых породах, у которых поры заполнены газом, при низких темпер-рах скорости резко меняются. В прочных скальных породах при однократном глубоком охлаждении скорости прод. и поперечных волн меняются мало по сравнению с этими же величинами при темпер-ре от -10 до –30⁰С. Влияние многократных темпер-ых изменений на ГП всегда без искл. приводит к температурному трещинообразованию. В условиях марсианских или лунных перепадов темпер-ры порода испытывает термическое выветривание, кот. ведет к образованию тонкодисперсного пылевого мат-ла, кот. сохраняет отрезки пов-ых колебаний и предохраняет др. породы.

62.Влияние многократных температурных изменений на ГП (упругие св-ва, плотность).

 При глубоком охлаждении водонасыщенных обломочных пород зн-я скорости продольной волн им. экстремум, величина которого зависит не только от состава породы, но и от режима охлаждения. Кривая нагревания б. значит-но отличаться от кривой охлаждения. Образцы, охлажденные до –20⁰С, при оттаивании сохраняют свою форму, в то время как такие же образцы, охлажденные до –100⁰С, после оттаивания разрушаются. Это значит, что охлаждение и образование криогенной стр-ры так дей-ет на породу, что даже связи м-у частицами нарушаются. Влияние многократных темпер-ых изменений на ГП всегда без искл. приводит к температурному трещинообразованию. В условиях марсианских или лунных перепадов темпер-ры порода испытывает термическое выветривание, кот. ведет к образованию тонкодисперсного пылевого мат-ла, кот. сохраняет отрезки пов-ых колебаний и предохраняет др. породы.

 

63.Электрические св-ва ГП при сверхнизких температурах.

Изучены слабо, но имеют определенные выводы:

1.В прочных скальных породах с кристаллизационными связями зн-я УЭС при сверхнизких темпер-ах такие же как и в аналогичных ГП при темпер-ре от -20 до –30⁰С. Т.е. на прочные скальные породы пониженные темпер-ры не дей-ют. Температурная трещиноватость в усл. сверхнизких темпер-р неизбежно ведет к увеличению УЭС.

2.С низкими и сверхнизкими температурами связано одно из уникальных физ. явл. – сверхпроводимость. При охлаждении металлов и др. мат-лов с электронным типом проводимости УЭС уменьш., а у некоторых в-в УЭС скачком падает до 0. Темпер-ра, при которой наблюдается внезапное исчезновение УЭС, наз. критической Тк. При Тк в сверхпроводнике слипаются электроны, образуя пары, способные соединяться в коллективные состояния. Сверхпроводники – это идеальные диамагнетики. Известен ряд в-в, кот. явл. сверхпроводниками при темпер-ре от -150 до –170⁰С.

64.Понятие сверхпроводимости.

С низкими и сверхнизкими температурами связано одно из уникальных физ. явл. – сверхпроводимость. При охлаждении металлов и др. мат-лов с электронным типом проводимости УЭС уменьш., а у некоторых в-в УЭС скачком падает до 0. Темпер-ра, при которой наблюдается внезапное исчезновение УЭС, наз. критической Тк. При Тк в сверхпроводнике слипаются электроны, образуя пары, способные соединяться в коллективные состояния. Сверхпроводники – это идеальные диамагнетики. Известен ряд в-в, кот. явл. сверхпроводниками при темпер-ре от -150 до –170⁰С.

65.Магнитные св-ва ферромагнетиков в условиях значительного изменения температур от положительных и отрицательных.

В образцах железной руды, содержащих зерна магнетита, намагниченность при изменении темпер-ры от 20 до –77⁰С уменьшается в два раза.

 

66.Коэффициент температурной деформации и его изменение при понижении температуры.

При изучении тепловых св-в имеет место такое понятие как коэф-нт температурной деформации – выражает сокращение (расширение) образца при изменении темпер-ры на 1⁰С. В диапазоне темпер-р от 0 до –200⁰С зн-е коэф-та темпер-ной деформации снижается от величин порядка 50*10^-6-74*10^-6 1/град до 0. Теплоемкость обезвоженных породв интеравле темпер-р от 20 до –55⁰С меняется незначительно (до 10%), причем только для суглинков наблюдалась тенденция уменьшения уд. теплоемкости с изменением темпер-ры. Коэф-нт теплопроводности льда в интервале темпер-р от 0 до –130⁰С изм. по линейному закону от 2 до 4 Вт/(см*град). Коэф-нт теплопроводности в интервале темпер-р от 20 до –160⁰С растет в этом диапазоне и м.б. вычислен.

67. связи м\у парам-ми физических св-в ГП и их роль в ГФ.

Взаимосвязь физических св-в – это закономерное сочетание св-в и изменение одного св-ва в зависимости от изменения другого. Знание взаимосвязей м/у физ.св-вами позволяет по легко изучаемому параметру опр-ть др.параметры.; по св-вам, определенным образцах, изучать св-ва п/д в естественном залегании. Большинство изученных взаимосвязей явл-ся корреляционными, это обусловлено главным образом невозможностью учета всех факторов, влияющих на исследуемые св-ва.

Корреляция между св-вами не означает только зависимости одного св-ва от другого. Во многих случаях взаимосвязь существует в рез-те зависимостей параметров от факторов, не рассматривающихся при исследованиях, но определяющих величину этих параметров. В элементах и минералах такими факторами явл-ся внутреннее строение в-ва и внешние термодинамические условия. Корреляция м/у параметрами должна наблюдаться при их однотипной зависимости от особенностей атомного строения в-ва.

В г.п. установление взаимосвязей м/у физ.св-вами на основе внутреннего строения минералов затруднено. Однако физ.св-ва г.п. опр-ся не только мин.составом, но и текстурно-структурными особенностями, типом заполнителя порового пр-ва и т.п. Сл-но, корреляция м/у параметрами в г.п. должна наблюдаться при их зависимости от одного из этих факторов при меньшем влиянии других. В породах с уплотненными текстурами,т.е. в интрузивных, метаморфических, эффузивных осад.образованиях, мин.состав- основной фактор, определяющий большинство физ.св-в.

68.Связь между скоростью упругих волн и плотностью - теоретическая.

Скорость прод. волн однородных идеально упругих тел связана с плотностью четким соотношением:

ГП только приближаются к ид. однородным средам в большей (магматические П) или меньшей (осадочные П) степени. Поэтому связь между скоростью и плотностью имеет другой хар-р. У больш-ва ГП увеличение плотности сопровождается увеличением скорости и наоборот. Реальные среды отличаются от идеально упругих, поэтому увеличение плотности ведет к увеличению скорости. Если плотность при усилении вышележащей нагрузки увеличивается резко (10-20%), то модуль Юнга увел. быстрее, поэтому с увел. плотности увел. скорость. Если плотность и скорость независимы, то прямая связь может и отсутствовать. Скорость – векторная величина, изменяющаяся с частотой волн, плотность – скаляр, поэтому тесной может и не быть. Скорость уменьшается на 10-15% при насыщении жидкостью, а плотность увеличивается. Развитие системы трещин имеет большое зн-е: плотность не изм. при мелких трещинах, а скорость уменьшается, т.к. трещины препятствуют прохождению волн. Скорость зависит от кол-ва атомов и от особенностей упаковки, а плотность зависит только от кол-ва атомов. Для многих магмат. и метам. пород скорость изм-ся в широких пределах, в то время как плотность остается постоянной. Для многих металлов наблюдается уменьшение скорости при увел. плотности – это значит, что металлы по своему строению приближаются к ид. упр. средам.

69.Связь между скоростью упругих волн и плотностью - практическая.

Эксперименты показывают, что для многих металлов наблюдается уменьшение скорости при увел. плотности – это значит, что металлы по своему строению приближаются к ид. упр. средам. Известные сопоставления скоростных св-в с плотностью разреза необх. для сопоставления с данными сейсморазведки. Возможна оценка плотности осадочного чехла по рез-там сейсморазведки на территориях, не изученных бурением. Составлены таблицы связи по отдельным регионам бывшего СССР по данным глубокого бурения. Везде выведены значения скорости и плотности и их соотношения. Оценку плотности выполняют по данным промысловой ГФ (нейтронный гамма-гамма каротаж). Широкое развитие получили методы изучения скорости по НГК. Связь м-у скоростью и плотностью нах. при интерпретации комплексных ГФ исследований. Т.обр., значение такой связи необходимо, но связь эта не унифицирована для различных пород, т.к. параметры им. разную сущность.