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第二章声波测井
第一节岩石的声学性质
一、岩石和弹性体的差异
在弹性力学中,对其研究的物体通常有以下几个基本假设:
(1)物体是连续的,即整个物体都被组成该物体的介质所充满,因而一些量如应
力、应变、位移以及描述物体或介质的弹性力学性质的参数都可以当作空间上的连续函数来
处理;
(2)物体是均匀的,所谓均匀是指物体由同一类型的均匀材料所组成,如果在物体中
任选两积大小相等、形状完全相同的体积元,其全部、化学性质均应相同,而且能
够代表整个物体的、化学性质;
(3)物体是各向同性的,也就是说,物体的性质与方向无关,因此,物体的弹性常数
不随坐标方向的改变而改变;
(4)物体是完全弹性的,即对应于一定的温度,存在着应力和应变之间的一一对应关
系,且应力-应变关系是线性的,服从广义的虎克(Hooke)定律,在弹性限度范围内,杨
氏模量E、切变模量p、泊松比σ和体变模量K等表征物体弹性力学性质的参数都是恒定的
常量,不随时间而改变,和物体的无关,在形变过程中没有能量损耗,即弹性波在
过程中不发生衰减。
满足以上几个基本假设条件的物体称为理想弹性体。
物体在外界因素作用下所产生的变形或位移远小于物体原来的尺寸,均在弹性限度范围
之内,外力撤除,物体能完全恢复原状。
从17世纪70年代末,虎克揭示弹性体的形变和所受外力之间的规律(即虎克定律)至
今,对于理想弹性体的研究已经相当成熟,弹性力学研究的不断深入和内容的不断扩展,也
促进了它在工程上(如地球学)的应用。
地球学研究的对象是地壳中各种不同地质年代、由不同矿物成分组成、结构各异的
岩石。显然,岩石并非理想弹性体。
首先,岩石中有孔隙和裂缝,并不是连续介质。这些孔隙和裂缝中往往含有油、气、水
等不同于骨架成分的物质。而且,孔隙和裂缝的大小、形状和分布都是随机的,所以岩石也
非均匀介质。同时,由于存在沉积的层理、断裂形成的节理等因素,岩石的各向异性情况相
当复杂。因此,对于岩石来说,描述其弹性力学性质的杨氏模量E、切变模量p、泊松
比σ和体变模量K等参数以及应力、应变、位移等都和理想解性体有区别。例如,当岩
石受力变形时,不仅需要考虑岩石固相骨架的位移,还要考虑岩石孔隙和裂缝中与骨架相态
不同的流体(油、气、水)的位移,因为二者是不同的,固、液相交界处位移是不连续的。
其次,由于岩石有孔隙和裂缝,而其中的流体在受力时发生形变的规律不可能与固相骨
架相同,甚至存在着流体在孔隙中的流动和骨架颗粒的相对滑动,因而使整个岩石表现出非
弹性的特征。
图1—2—1为非完全弹性体在受单轴(X轴)方向应力时,应力与应变的关系示意图。
图中的Ⅰ段表示,由于要克服介质的内摩擦和粘滞,在应力较小的范围内没有测量
到应变。图中Ⅱ段应力为中等数值,在一定范围内应力和应变力之间为线性关系。图中的Ⅲ
段表示应力较大时,由于发生塑性形变或由于孔隙、裂缝的扩大或延伸,或由于固相骨架部
分的稳态破损,应力和应变之间不再保持线性关系,即应变增大更为明显。当应力逐渐减小
时,由于材料已发生不可恢复的塑性形变,此时应力和应变不再保持单值关系,即应力增大
时得到的曲线同应力逐渐减少时得到的曲线不重合,也即应力和应变之间不是一一对应关
系,如图上的Ⅳ段。同时,还可以看到,当应力减小到零值时仍保留有剩余的应变εo,这表
现非完全弹性体和完全弹性体的又一差别——塑性,即外力完全后物体并不恢复到原始
状态,而保持剩余形变(即所谓塑性形变)。
另外,对于非完全弹性体,由于有内摩擦和粘滞还会产生弛豫现象,即应力和应变并不
同相位。也就是说,应变到达最大值的相位(或时间)与应力达到
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