4.2 Сейсмоакустические свойства химических элементов и минералов

Зависимость между скоростью продольных волн и атомным строением элементов приведена на рис. 1.1. Как видно, скорость увеличивается в первой половине и уменьшается во второй половине каждого периода. Максимальные значения скорости в каждом периоде уменьшаются от 2 к 6 периоду, тогда как максимальная плотность элементов и их атомная масса в этом направлении растут.

Скорость продольных волн в минералах изменяется от 2 000 до 18 000 м/с, поперечных – от 1 100 до 10 000 м/с. Низкие скорости характерны для самородных металлов, высокие – для алюмосиликатных и безжелезистых минералов; наибольшая скорость упругих волн установлена в алмазе.

Для большинства минералов установлены два типа связи скорости распространения упругих колебаний от плотности.

К первому типу относится большинство твердых элементов (Na, Ca, Si), а также породообразующих, силикатных и частично окисленных минералов с плотностью 0,54,5 г/см³ и скоростью продольных волн 1 00018 000 м/с (табл. 4.1).

Таблица 4.1 – Зависимость скорости продольных колебаний от плотности

Минерал	, г/см3	vp, м/с
Галит	2,16	4450
Микроклин	2,56	3700
Кварц	2,65	6000
Кальцит	2,72	6600
Доломит	2,86	7000
Роговая обманка	3,00	7200
Оливин	3,04	8400

Для второго типа образований характерно уменьшение скорости упругих волн с ростом их плотности (табл. .4.2).

Таблица 4.2 – Зависимость скорости продольных колебаний от плотности

Минерал	Au	Ag	Fe	Fe2O3
, г/см3	19,5	10,5	8,2	5,1
vp, м/с	2000	2500	4100	7000

4.3 Скорость упругих волн и упругие модули осадочных пород

Осадочные горный породы характеризуются диапазоном изменения скорости распространения волн от 0,38 км/с в глинах и сухих суглинках, залегающих вблизи поверхности земли, до 6,5 км/с в известняках (глубина около 1 км).

Скорость в однородных по составу породах повышается с глубиной из-за роста давления, действие которого приводит к уменьшению пористости и увеличению упругости их твердого скелета

Зависимость скорости от глубины выражается формулами:

, ;

(4.12)

или экспоненциальной зависимостью

,

(4.13)

где k – коэффициент;

  величина, связанная с вертикальным градиентом скорости dv/dZ:

(4.14)

Численные значения коэффициентов в формулах определяются по данным акустического и ультразвукового каротажа скважин.

До глубины 5 км, которой соответствует увеличение давления примерно до 130 МПа, характерно быстрое разрастание скоростей распространения волн как в осадочных, так и в изверженных породах, но в осадочных она увеличивается быстрее, чем в изверженных. По-видимому, горная порода при относительно малых давлениях (до 10 МПа) имеет свойства упругой среды благодаря уменьшению пористости и закрытию трещин. При больших давлениях модуль Юнга растет быстрее, чем плотность, скорость продолжает повышаться, но гораздо медленнее.

Поскольку с пористостью тесно связана величина удельного сопротивления, то между скоростью и удельным сопротивлением существуют эмпирические зависимости вида

,

(4.15)

где _к – кажущееся удельное сопротивление;

а =1948;

=1/6.

Осадочные породы отличаются значительной анизотропией скоростей; для пород с глинистыми прослоями коэффициент анизотропии может достигать 1,21,3.

Таблица 4.3 – Скорость распространения продольных волн

в осадочных породах

Порода	Vp min-Vp max, км/с	Vs/Vp	Порода	Vp min-Vp max, км/с	Vs/Vp
Алевролит	0,84,0	0,50,6	Конгломерат	1,455,6	0,50,6
Ангидрит	1,56,0	0,50,6	Лёсс	0,30,6	0,30,6
Аргиллит	0,94,5	0,50,6	Мергель	1,34,5	0,40,5
Брекчия	1,455,6	0,50,6	Мел	1,74,2	0,40,5
Глина	0,33,0	0,070,6	Песок	0,31,5	0,10,3
Гравелит	1,75,4	0,50,6	Песчаник	0,84,5	0,40,6
Гипс	1,54,6	0,50,6	Каменная соль	4,55,5	0,50,6
Доломит	0,96,3	0,50,6	Суглинок	0,81,8	0,50,6
Известняк	1,05,5	0,50,6

Экспериментальные работы показали, что на скорость распространения волн в осадочных породах больше влияют изменения пористости, плотности и состав заполнения порового пространства, чем состав минерального скелета.