饱和砂岩的滞弹性弛豫衰减特征及微观机理的探索.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61．No．14(2012)149101饱和砂岩的滞弹性弛豫衰减特征及微观机理的探索术席道瑛)t徐松)十刘永贵2)杜赞)1)(中国科学技术大学蒙城地球物理国家野外观测站，地球和空间科学学院，合肥230026)2)(中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥230027(2011年11月6日收到：2011年l2月9日收到修改稿)应用Metravib热机械分析仪，以饱和岩石进行正弦波加载的方式，分别对三种不同孔隙度的泵油饱和彭山砂岩、泵油和甘油饱和自贡长石砂岩进行了衰减实验研究，得到衰减的热弛豫规律．据此规律求得它们

2、的激活能和原子振动频率，其激活能和原子的振动频率比间隙原子的激活能和振动的频率低，此现象用饱和砂岩中产生的缺陷原子簇的整体振动比单个或孤立的原子的振动频率低做出了解释．在饱和岩石的晶粒问界缺陷处参与扩散的是固体原子、液体及气体原子．并得出随孔隙度和黏滞系数增大，衰减强度和激活能增大，原子的振动频率增高，弛豫时问减小的结论．在正弦波应力作用下，由多种矿物晶体胶结而成的饱和砂岩是一种多晶、多相的固体，由于内部结构复杂、缺陷广布，产生弛豫衰减是普遍现象．砂岩中存在点缺陷、位错、晶界及孪晶界面等许多缺陷及缺陷间的相互作用都可以产生弛豫型衰减峰．用饱和砂岩中特有的饱和液体及砂岩内部

3、结构的复杂性解释了饱和砂岩的衰减机理，很自然地将其宏观衰减特征与微观结构紧密连在一起．饱和砂岩中的各种缺陷、相界等会导致多重弛豫，使它们的弛豫衰减峰变宽，分布参数增大．这项研究既具有理论意义，也具有实用价值．关键词：饱和岩石，滞弹性，衰减机理，多重弛豫PACS：91．60．Qr,91．60．Hg成因的衰减．衰减随温度升高而减小，在20。C～100。C之间衰减变化达5倍，这种衰减减小比速1引言度减小的程度大得多【3】_所以，在波速与衰减研究在地壳上部，地震波衰减的主要机制是局部流中，衰减对地震波的反应比波速灵敏得多，因此，衰体的流动【l】I衰减是由于岩石的滞弹性把地震能量减

4、的研究对地球物理勘探具有特殊的意义，对勘探转化为热的～种过程[2】．在地震衰减研究中，人们地热蒸汽库或天然气库是很有实用价值的，衰减越来越感到需要更好地了解地震能量吸收的物理与热水、油气储存关系的研究也就成了热门的研过程[1】-究课题．很多文献都发现衰减比速度对岩石性质变化地壳岩石实际上是极典型的非均匀的多孔材要敏感得多．地震波引起的地球介质变形在10—7料．组成岩石的矿物颗粒本身还包含颗粒晶体的缺量级，这样的小变形能引起的速度变化很小，而引陷、颗粒间的接触、微裂纹、孔洞等，它们之间由起的衰减变化是波速的5倍．用衰减Q／Q。的比胶结物黏结而成为岩石材料．在地球上，所有的岩

5、值指示部分饱和度比用速度／的比值要好得石看起来好像都是含水的，这种多孔材料中赋存有多[1】，可见，用／Q比用／对饱和度检测各种流体(包括液体和气体)，由于岩石内部结构构灵敏度要高得多．另外，衰减特性比波速对介质的造十分复杂，受到长时间的载荷作用时，表现出强内部结构变化更为敏感，这正是我们感兴趣的内在烈的非线性特征，将这种岩石称为滞弹性或黏弹性国家自然科学基金(／It准号：40874093)资助的课题十E—mail：xdy@ustc．edu．cn；slxu99@ustc．edu．cn⑥2012中国物理学会ChinesePhysicalSociety：／／wulixb．hy．

6、ac．c佗149101．1物理学报AetaPhys．Sin．Vo1．61，No．14(2012)149101体【4】．由于岩石特殊的微观结构，对其施加周期性文献f16～2O】还进行了弛豫衰减的理论模型研究．载荷时，它的非线性弹性关系就体现在应变滞后于Mavko和Nur[16]认为，当每一条裂纹都是部分饱应力一个相位，所以，这种非线性不同于一般的非和，同时液相湿润了裂纹表面，且液相积累在裂纹线性弹性材料，它还包含滞后和弛豫[4-9J．末端或沿裂纹长度方向收缩的地方时，裂纹被压缩由波动方程可以推出波传播过程分为两个部使液体流动到气体占据的区域，引起黏性能量损耗，分：一是非滞回

7、线性部分，另一为滞回非线性部分，体积的压缩引起每一条裂纹压缩而产生衰减．因为二者相位差90o．可以认为滞回是非线性衰减的原这个理论对微观结构细节极为敏感，在我们不太了因．因为无论是波的传播还是自然界岩石受力状态解饱和岩石的微观结构细节时，不能用它定量预计大部分是在弹性范围内，所以研究滞回非线性这一衰减的大小．从Mavko和Nur[16】的计算看出，用这衰减是十分有意义的【10J．种机制算出的能量损失与我们的观测类似．更可靠内耗或衰减技术主要用于固体的缺陷与结构的预计是Q／Q比值近似为2，这与我们的观测相的研究．当岩石含有自由流