Метод определения внутренней структуры геосреды с использованием ABCD-матриц в теневом режиме

Представлен краткий обзор и анализ методов, позволяющих определять внутреннюю структуру геосреды, таких как рентгеновская томография, акустическая микроскопия, лазерно-ультразвуковая структуроскопия. Обоснована актуальность разработки акустического метода исследования внутренней структуры геосреды в теневом режиме. Предложен метод, позволяющий решить указанную задачу с учетом эффектов дифракции, дисперсии фазовой скорости и частотно-зависимого затухания. Рассмотрен механизм распространения акустический волны через неоднородную среду. Приведены теоретические основы моделирования распространения акустического сигнала в таких средах. Проанализировано влияние на сигнал эффектов дифракции и представлен способ их учета при моделировании с помощью ABCD-матриц. Также выполнен анализ дисперсии фазовой скорости и частотно-зависимого затухания, их связи в соответствии с соотношениями Крамерса-Кронига, представлен способ учета этих характеристик при моделировании. На специально созданном слоистом образце с заложенной неоднородностью проведены эксперименты при помощи предложенного метода. Представлены восстановленный разрез образца и характеристики каждого из его слоев. Проведено сравнение полученных величин со значениями, полученными традиционными методами, благодаря чему подтверждена возможность использования разработанного метода для определения внутренней структуры геосреды в теневом режиме.

Пашкин А. И., Винников В. А., Черепецкая Е. Б. Метод определения внутренней структуры геосреды с использованием ABCD-матриц в теневом режиме // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 8. – С. 14–26. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_8_0_14.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-35-90044.

Пашкин Александр Игоревич¹ — инженер, e-mail: Alexandrill@ya.ru, ORCID ID: 0000-0002-8774-5982,
Винников Владимир Александрович¹ — д-р физ.-мат. наук, доцент, зав. кафедрой, e-mail: evgeny.vinnikov@gmail.com,
Черепецкая Елена Борисовна¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: echerepetskaya@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-9642-2149,
¹ НИТУ «МИСиС».

Пашкин А. И., e-mail: Alexandrill@ya.ru.

1. Еременко Н. М., Муравьева Ю. А. Применение методов рентгеновской микротомографии для определения пористости в керне скважин // Нефтегазовая геология. Теория и практика. — 2012. — № 3. — С. 1—12.

2. Галкин С. В., Ефимов А. А., Кривощеков С. Н., Савицкий Я. В., Черепанов С. С. Применение метода рентгеновской томографии при петрофизических исследованиях керна нефтяных и газовых месторождений // Геология и геофизика. — 2015. — № 5. — С. 995— 1007. DOI: 10.15372/GiG20150509.

3. Дробчак А. Н., Дуганов Г. А., Дучков А. А., Купер К. Э. Акустические измерения и рентгеновская томография песчаных образцов, содержащих гидрат ксенона // Геофизические технологии. — 2019. — № 4. — С. 17—23. DOI: 10.18303/2619-1563-2019-4-17.

4. Галкин С. В., Колычев И. Ю., Савицкий Я. В. Возможности исследования гидрофобизации коллекторов комплексированием методами рентгеновской томографии керна и электрического каротажа // Геология и геофизика. — 2019. — Т. 60. — № 10. — С. 1496— 1507. DOI: 10.15372/GiG2019094.

5. Zhu J. B., Zhou T., Liao Z. Y., Sun L., Chen R. Replication of internal defects and investigation of mechanical and fracture behavior of rock using 3D printing and 3D numerical methods in combination with X-ray computerized tomography // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018, vol. 106, pp. 198—212. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2018.04.022.

6. Галунин А. А., Степанов Г. Д., Безруков В. И., Свобода П., Кравцов А. Н. Исследование внутренней структуры образцов диабаза с помощью оптико-акустической и компьютерной рентгеновской томографии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 16—25. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_16.

7. Guntoro P. I., Ghorbani Y., Koch P.-H., Rosenkran J. X-ray microcomputed tomography (µct) for mineral characterization: a review of data analysis methods // Minerals. 2019, vol. 9, no. 3, p. 183. DOI: 10.3390/min9030183.

8. Martínez-Martínez J., Fusi N., Galiana-Merino J. J., Benavente D., Crosta G. B. Ultrasonic and X-ray computed tomography characterization of progressive fracture damage in lowporous carbonate rocks // Engineering Geology. 2016, vol. 200, pp. 47–57. DOI: 10.1016/j. enggeo.2015.11.009.

9. Tai-Ming He, Qi Zhao, Johnson Ha, Kaiwen Xia, Grasselli G. Understanding progressive rock failure and associated seismicity using ultrasonic tomography and numerical simulation // Tunnelling and Underground Space Technology. 2018, vol. 81, pp. 26—34. DOI: 10.1016/j. tust.2018.06.022.

10. Rodriguez-Rey A., Briggs G. A. D., Field T. A., Montoto M. Acoustic microscopy of rocks // Journal of Microscopy. 1990, vol. 160, no. 1, pp. 21—29. DOI: 10.1111/j.1365-2818.1990. tb03044.x.

11. Prasad M. Mapping impedance microstructures in rocks with acoustic microscopy // The Leading Edge. 2001, vol. 20, no. 2, p. 172. DOI: 10.1190/1.1438902.

12. Simpson J., van Wijk K., Adam L., Smith C. Laser ultrasonic measurements to estimate the elastic properties of rock samples under in situ conditions // Review of Scientific Instruments. 2019, vol. 90, no. 11, article 114503, DOI: 10.1063/1.5120078.

13. Кравцов А., Иванов П. Н., Малинникова О. Н., Черепецкая Е. Б., Гапеев А. А. Исследование микроструктуры углей печорского бассейна методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 6. — С. 56—65. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-06-0-56-65.

14. Bychkov A. S., Cherepetskaya E. B., Karabutov A. A., Makarov V. A. Improvement of image spatial resolution in optoacoustic tomography with the use of a confocal array // Acousical Physics. 2018, vol. 64, no. 1, pp. 77—82. DOI: 10.1134/S1063771018010037.

15. Пашкин А. И., Винников В. А. Моделирование распространения лазерно-ультразвукового зондирующего импульса в слоистой среде методом ABCD-матриц // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 6. — С. 140–150. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-6-0-140-150.

16. Treeby B. E. Acoustic attenuation compensation in photoacoustic tomography using time-variant filtering // Journal of Biomedical Optics. 2013, vol. 18, no. 3, article 036008. DOI: 10.1117/1.JBO.18.3.036008.

17. Карабутов А. А., Подымова Н. Б., Соколовская Ю. Г. Локальные соотношения Крамерса-Кронига для коэффициента затухания и фазовой скорости продольных ультразвуковых волн в полимерных композитах // Акустический журнал. — 2019. — Т. 65. — № 2. — С. 182—189. DOI: 10.1134/S0320791919020060.