Experimental Investigation of Slow Relaxation of Sound Velocity in Carbonate Rock

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The paper presents the results of comprehensive studies of the phenomenon of slow relaxation of the speed of sound in structurally inhomogeneous materials after vibration exposure to a finite amplitude of deformations. The results were obtained on the experimental setup created for these studies, which ensured high accuracy in measuring the linear and nonlinear acoustic characteristics of various materials. The results of an experimental study of relaxation in a carbonate rock, which is a structurally heterogeneous material with a complex system of internal bonds, are presented. The measurements made it possible to determine the dependences of the relaxation parameters on the amplitude and excitation time, as well as the effects due to the finite amplitude of the probing wave. An interpretation of the obtained results is given and the effects that have not received an exhaustive explanation are noted.

全文:

受限制的访问

作者简介

A. Lebedev

Applied Physics Institute, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: swan@appl.sci-nnov.ru
俄罗斯联邦, Nizhny Novgorod

S. Manakov

Applied Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Email: manakovsergej@mail.ru
俄罗斯联邦, Nizhny Novgorod

参考

  1. Руденко О.В. Гигантские нелинейности структурно-неоднородных сред и основы методов нелинейной акустической диагностики // Успехи физ. наук. 2006. Т. 176. № 1. С. 77–95.
  2. Guyer R.A., Johnson P.A. Nonlinear mesoscopic elasticity: evidence for a new class of materials // Physics Today. 1999. V. 52. № 4. P. 30–36.
  3. Ostrovsky L.A., Johnson P.A. Dynamic nonlinear elasticity in geomaterials // Rivista del Nuovo Cimento. 2001. V. 24. № 7. P. 1–46.
  4. Guyer R.A., Johnson P.A. Nonlinear mesoscopic elasticity: the complex behaviour of rocks, soil, concrete. Wiley-VCH. 2009. 410p.
  5. Van Den Abeele K., Johnson P.A., Sutin A.M. Non-linear Elastic Wave Spectroscopy (NEWS) techniques to discern material damage. Part I: Non-linear Wave Modulation Spectroscopy // Res. Nondestr. Eval. 2000. V. 12. № 1. P. 17–30.
  6. Van Den Abeele K., Sutin A.M., Carmeliet J., Johnson P.A. Micro-damage diagnostics using nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS) // NDT&E International. 2001. V. 34. P. 239–248.
  7. Sclerandi M., Agostini V., Delsanto P.P., Van Den Abeele K., Johnson P.A. Local interaction simulation approach to modeling nonclassical nonlinear elastic wave behavior in solids // J. Acoust. Soc. Am. 2003. V. 113. № 6. P. 3049–3059.
  8. Johnson P., Sutin A.M. Slow dynamics and anomalous nonlinear fast dynamics in diverse solids // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 117. № 1. P. 124–130.
  9. Lebedev A.V., Ostrovsky L.A. A unified model of hysteresis and long-time relaxation in heterogeneous materials // Acoust. Phys. 2014. V. 60. № 5. P. 555–561.
  10. Авербах В.С., Лебедев А.В., Марышев А.П., Таланов В.И. Наблюдение эффектов медленной динамики в неконсолидированных средах в натурных условиях // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 2. С. 208–215.
  11. Lebedev A.V. Slow time phenomena in heterogeneous materials: from microscopic fluctuations to macroscopic relaxation // Acoust. Phys. 2023. V. 69. № 1. P. 58–73. [Open Access article].
  12. TenCate J.A., Shankland T.J. Slow dynamics in the nonlinear elastic response of Berea sandstone // Geoph. Res. Lett. 1996. V. 23. № 21. P. 3019–3022.
  13. TenCate J.A., Smith E., Guyer R. Universal slow dynamics in granular solids // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. № 5. P. 1020–1023.
  14. Миронов М.А., Шеломихина И.А., Зозуля О.М., Есипов И.Б. Медленная кинетика вязкоупругих свойств нефти при низкочастотных сдвиговых колебаниях // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 1. С. 132–140.
  15. Коробов А.И., Одина Н.И., Мехедов Д.М. Влияние медленной динамики на упругие свойства материалов с остаточными и сдвиговыми деформациями // Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 4. С. 438–444.
  16. Есипов И.Б., Зозуля О.М., Миронов М.А. Медленная кинетика нелинейности вязкоупругих свойств нефти при сдвиговых колебаниях // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 2. С. 166–172.
  17. Авербах В.С., Бредихин В.В., Лебедев А.В., Манаков С.А. Нелинейная акустическая спектроскопия карбонатной горной породы // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 3. С. 323–336.
  18. Brenguier F., Campillo M., Hadziioannou C., Shapiro N., Nadeau R., Larose E. Postseismic relaxation along the San Andreas fault at Parkfield from continuous seismological observations // Science. 2008. V. 321. 5895. P. 1478–1481.
  19. Ostrovsky L., Lebedev A., Riviere J., Shokouhi P., Wu C., Stuber Geesey M.A., Johnson P.A. Long-time relaxation induced by dynamic forcing in geomaterials // J. of Geophys. Res.: Solid Earth. 2019. V. 124. № 5. P. 5003–5013.
  20. Averbakh V.S., Bredikhin V.V., Lebedev A.V., Manakov S.A. Acoustic spectroscopy of fluid saturation effects in carbonate rock // Acoust. Phys. 2010. V. S56. P. 794–806.
  21. Lebedev A.V., Bredikhin V.V., Soustova I.A., Sutin A.M., Kusunose K. Resonant acoustic spectroscopy of microfracture in a Westerly granite sample // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. B10. P. EPM11(1–12).
  22. Horowitz P., Hill W. The art of electronics. Cambridge University Press. 3-rd edition. 2015. 1192 p.
  23. Massarotto M., Carlosena A., López-Martn A.J. Two-stage differential charge and transresistance amplifiers // IEEE Trans. on Instr. and Meas. 2008. V. 57. № 2. P. 309–320.
  24. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 2001. 560 с.
  25. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1967. 295 с.
  26. Winkler K.W., Xingzhou L. Measurements of third-order elastic constants of rocks // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. № 3. P. 1392–1398.
  27. Блехман И.И., Лавендел Э.Э., Гончаревич И.Ф. Поведение сыпучих тел под действием вибрации / Вибрации в технике. Т. 4. Глава III. М.: Машиностроение, 1981. С. 78–98.
  28. Авербах В.С., Лебедев А.В., Манаков С.А., Бредихин В.В. Новый метод акустических исследований сыпучих материалов. Предварительные результаты // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2013. Т. 56. № 3. С. 149–172.
  29. Ostrovsky L., Lebedev A., Manakov S., Rivière J., Shokouhi P., Guyer R., Stuber Geesey M., Johnson P. Nonlinear relaxation in geomaterials: New results // Proc. Mtgs. Acoust. (POMA). 2018. № 34. P. 032002 (5 pages).
  30. Johnson P.A., Zinszner B., Rasolofosaon P., Cohen-Tenoudji F., Abeele K.V.D. Dynamic measurements of the nonlinear elastic parameter A in rock under varying conditions // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. B02202.
  31. Lawn B. Fracture of brittle solids. Cambridge Univ. Press. Second edition. 1993. 378 p.
  32. Мерер Х. Диффузия в твердых телах. Долгопрудный: Из-во “Интеллект”, 2011. 536 с.
  33. Estrin Y., McCormic P.G., Street R. A phenomenological model of magnetisation kinetics // J. Phys.: Condens. Matt. 1989. V. 1. P. 4845–4851.
  34. Shokouhi P., Rivière J., Guyer R.A., Johnson P.A. Slow dynamics of consolidated granular systems: Multi-scale relaxation // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 111. P. 251604(1–4).
  35. Kober J., Kruisova A., Scalerandi M. Elastic slow dynamics in polycrystalline metal alloys // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 8631.
  36. Абрамовиц М., Стиган И. Справочник по специальным функциям с формулами графиками и математическими таблицами. Глава 5: Интегральная показательная функция и связанные с ней функции. С. 55–79. М.: Наука, 1979.
  37. Israelachvili J.N. Intermolecular and surface forces. Academic press, N.Y., 1992. 450 p.
  38. Scalerandi M., Mechri C., Bentahar M., Di Bella A., Gliozzi A.S., Tortello M. Experimental evidence of correlations between conditioning and relaxation in hysteretic elastic media // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 12. P. 044002.
  39. Mavko G., Mukeji T., Dvorkin J. The Rock Physics Handbook. Tools For Seismic Analysis in Porous Media. Cambridge University Press. MA. 2-nd edition. 2009. 524 p.
  40. O’Connell R.J., Budiansky B. Seismic velocities in dry and saturated cracked solids // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. № 35. P. 5412–5426.
  41. Beresnev I.A., Johnson P.A. Elastic-wave stimulation of oil production: A review of methods and results // Geophysics. 1994. V. 59. № 6. P. 1000–1017.
  42. Сердюков С.В., Курленя М.В. Механизм стимуляции добычи нефти сейсмическими полями малой интенсивности // Акуст. журн. 2007. Т. 53. № 5. С. 703–714.
  43. Beresnev I.A., Vigil R.D., Li W., Pennington W.D., Turpening R.M., Iassonov P.P., Ewing R.P. Elastic waves push organic fluids from reservoir rock // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. P. L13303(1–5).
  44. Авербах В.С., Власов С.Н., Заславский Ю.М. Движение капли жидкости в капилляре под действием статического и акустического полей // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2000. Т. 43. № 2. С. 155–161.
  45. Лебедев А.В. Нелинейный релаксационный механизм генерации шума фильтрации в пористых средах // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2018. Т. 61. № 4. С. 343–357.
  46. Лебедев А.В. Численное моделирование шума фильтрации // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2020. Т. 63. № 2. С. 155–171.
  47. Лебедев А.В. Сравнение теории с результатами измерений шума фильтрации флюида в пористой среде // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 5. С. 530–542.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. (a) – External view of the experimental setup, (b) – close-up of the sample with acoustic transducers (IR – infrared temperature sensor).

下载 (383KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Data reproducibility and variability of measurement conditions.

下载 (423KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Measured relaxation curves of disturbances δf and δη for different amplitudes and excitation durations.

下载 (446KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Dependences δη(lnt) for 4 excitation amplitudes.

下载 (94KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Dependence of δf(0) on the excitation amplitude εp.

下载 (67KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Dependence of δf(0) on time for a fixed excitation amplitude εp. The upper right part shows the time dependences of δf(t) and δTir(t) for the maximum excitation time in the measurement series.

下载 (212KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Measured relaxation curves of disturbances δf at a fixed amplitude εp = 1.5 × 10–6 and varying excitation duration tp (the values ​​are shown on the graph).

下载 (172KB)
索引源数据
9. Fig. 8. (a) – Relaxation characteristics δf(t) at a fixed excitation amplitude εp = 1.56 × 10–6 and a duration of 30 min for different amplitudes of the probing wave εz (the values ​​are shown on the graph). (b) – Dependence of the perturbation δffin in the saturation region on the value.

下载 (232KB)
索引源数据
10. Fig. 9. Change in the relaxation rate with increasing εz.

下载 (70KB)
索引源数据

版权所有 © The Russian Academy of Sciences, 2024