压实带形成过程中的超声成像实验研究

压实带是高孔隙岩石在脆-延性转换阶段形成的独特的变形结构，由于高孔隙岩石在上地壳中普遍存在，因此对压实带机理的研究将有助于了解岩石的压实成岩过程和地壳变形。目前开展的关于压实带的研究主要是理论分析、数值模拟和宏观实验，且实验都以声发射被动观测为主。.本研究拟开展超声成像主动观测，研究内容主要有：1）选取不同的高孔隙岩石样品，完成岩石样品的常规加载实验；2）同时进行超声成像，观测压实带形成全过程中应力的重新分布与波速的变化之间的关系，以确定变形对岩石性质的影响；3）对加载实验后的岩石进行切片显微观察，与最后的一次超声成像结果进行对比分析。该研究将为提高岩石波速变化检测分辨率，解决高孔隙岩石中衰减大的问题提供实验依据。

本项目关于压实带形成机理的研究，有助于了解地震波在介质中的传播。压实带是发生在高孔隙岩石变形阶段的一种局部化变形结构。本项目主要研究的是通过测量高孔隙红砂岩的波速变化来认识变形对岩石性质的影响。在调研了国内外相关的研究进展与成果的基础上，开展了数值模拟和室内实验。数值模拟在分析编码激励基本原理的基础上，进行了脉冲压缩仿真研究。从仿真结果看，为了激励换能器的脉冲压缩效果达到最佳，单位码元周期载频个数需要根据具体信号频带宽度和换能器频带宽度接近程度来选择。针对实验室压电陶瓷换能器的单频特性，对实验中用到的换能器性能进行对比筛选，在换能器匹配的基础上结合编码激励信号匹配, 建立了编码激励的实验系统平台，选择调制的不同编码，研究了不同调制方法对激励信号及其脉冲压缩结果的影响。. 为提高岩石波速变化检测分辨率，解决高孔隙岩石中衰减大的问题，室内实验方面，本项目选择不同类型的高孔隙红砂岩，加工成不同尺寸的岩石样品，进行了编码激励单轴加载岩石实验，测试了编码激励条件下岩石介质中的波速变化。实验还利用单脉冲和编码激励信号对岩石动态加载过程中的速度变化进行了对比检测，发现编码激励信号测得的速度稳定可靠。在搭建的超声成像实验系统上，对实验岩样进行了单轴加载成像实验。在加载过程中，采用四面透射观测方法，在岩样四侧分别布设了多个换能器，采集超声波信号。利用读取的p波到时数据，进行速度重建及超声p波速度层析成像，对比四个不同应力的p波速度，可以看到速度变化随着应力增加，呈现出p波速度变化局部化的趋势。. 本项目进行了大量的室内实验，实验过程中碰到一些问题，比如对岩石的室内研究结果获得的信息量仍然较少，研究结果目前存在不确定性。但该研究仍具有较高的价值和国际前沿性，建议研制高性能换能器，搭建岩石破裂过程的实时成像观测系统，开展压实带原地实验，为解读压实带微观机制提供新途径。