鄭志遠，王思雯，金子梁

（中國地質大學（北京）物理實驗教學示范中心，北京100083）

1 引 言

超聲波測試作為一種無損檢測技術，在巖石力學領域和地質領域中得到廣泛應用．超聲波的傳播受到巖石礦物成分、結構、孔隙度、含水量、壓力和溫度等諸多因素的影響［1－8］．

關于超聲波與巖石之間的關系已有大量的研究．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構特性，并對巖石聲波測量裝置進行了研究［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和脫水反應對波速的影響［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，進一步證明不同巖石在單軸壓縮過程中擴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)進行測量．巖石樣品的成分和形貌測試在北京大學測量中心完成．

3 實驗結果及分析

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)下質量的19．26%，這與浮巖本身孔隙率較大、密度相對較小有關．粗面巖吸水量4．33 g，吸水量為原自然狀態(tài)下質量的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外，還與其本身的其他巖性有關［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℃時達到了1 816 m／s，而在55℃時達到了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 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)部的空隙結構有關．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．

［1］ 王大興，辛可鋒，李幼銘，等．地層條件下砂巖含水飽和度對波速及衰減影響的實驗研究［J］．地球物理學報，2006，49（3）：908－914．

［2］ 劉祖沅，胡敏良．單軸壓縮下干燥和飽水巖石中超聲波的衰減［J］．地球物理學報，1984，27（4）：349－359．

［3］ 林睦曾．巖石裂隙中的含水量對巖石聲波速度的影響［J］．重慶大學學報，1983，（4）：71－80．

［4］ 曹均，賀振華，黃德濟，等．儲層裂隙的物理模擬與超聲實驗研究［J］．地球物理學進展，2004，19（2）：386－391．

［5］ 郝守玲，趙群．裂縫介質對P波方位各向異性特征的影響［J］．勘探地球物理進展，2004，27（3）：189－194．

［6］ 岑敏銳．超聲波在液體中的傳播速度與溫度的關系［J］．物理實驗，2008，28（5）：39－41．

［7］ 買買提熱夏提·買買提，亞森江·吾普爾，復爾開提·夏爾丁．簡談空氣中的聲速與溫度關系［J］．物理實驗，2007，27（11）：43－45．

［8］ 張成義，李傳起，程國生．基于塔爾博特效應測量液體中的聲速［J］．物理實驗，2008，28（11）：34－37．

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

［10］ 馬中高，伍向陽，王中海．有效壓力對巖石縱橫波速度的影響［J］．勘探地球物理進展，2006，29（3）：183－187．

［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．巖石擴容與超聲波橫波速率關系研究［J］．西南科技大學學報，2007，22（1）：39－42．