專利名稱：用于檢測測量地質巖石樣品中的彈性各向異性的方法和裝置的制作方法
概括地講，本發明涉及到的是一種用于檢測、測量地質結構巖石樣品中的彈性各向異性的方法和裝置。
一般說來，單晶材料能顯示出與它們晶體對稱性有關的彈性各向異性性質，這已是眾所周知的了。巖石一般是若干個礦物質的凝聚組合體，若假定其組合是隨機的，則通常假設這種巖石是各向同性的;然而，若礦物質的排列取向不是隨機的，則可以期望這種巖石將會清楚地顯示出類似各向異性晶體的種種性質。具有明顯的可見紋路的巖石，例如頁巖、片巖和其它類型的變質巖，以及象橄欖巖那樣的火成巖等等，已經由許多文獻明確地證實了它們確實具有彈性各向異性，而且是這種性質還與它們的可見紋路以及礦物質構成特別有關。而且還存在有某些更加復雜的因素，如在巖石中的裂縫的存在和取向等等，它們也能導致各向異性特征的出現。
一般說來，其各向異性一直是一個復雜的問題，除了在研究具有明顯的礦物質排列取向的火成巖和變質巖以外，它往往被研究者們所忽略。然而，現已證明，沉積巖巖石，以及含有裂縫的巖石，亦可能會具有明顯的并可加以測量的彈性各向異性。事實上，近年來的地震研究已經指出，在地球外殼表面中比人們原先已知的更大的部分區域中，均可能具有更多的各向異性。因此，一般認為以前對取自沉積盆地的樣品進行的聲速實驗測量存在有誤差(這依賴于是否存在有各向異性而定)，其主要原因就是在測量時其各向異性沒有被考慮在內。與地質巖石各向異性相關的實驗研究中，一般均把注意力集中在其速度分析上，而很少注意對其振幅隨各向異性變化的變化的分析上。最近，在1986年12月30日批準的授與SPrunt等人的美國專利4631963和4631964中均介紹的是用于測量在巖層結構樣品中的剪力波波速各向異性的方法和裝置。
本發明提供了一種可精確測量巖層結構樣品中的彈性各向異性的大小和對稱狀態的新穎的方法，這種方法能大大簡化和加快其彈性各向異性的檢測、測量。
本發明提供的是一種新穎的用于檢測、測量地質巖石結構樣品中的彈性各向異性的方法和裝置。對表示樣品對所輸入的剪力波的響應的時序信號并向量實施記錄，然后可以對該時序信號并向量加以處理以檢測、測量出樣品中的彈性各向異性。更具體地講就是，用輸入具有第一和第二偏振方位的剪力波的方法來采集其時序信號的并向量，樣品對所輸入的每一剪力波的響應通過具有第一和第二偏振方位的剪力波發送器實施記錄。在本發明的一個實施例中，該時序信號并向量可以進行對角化處理以檢測、測量出其樣品的彈性各向異性。在另一個實施例中，該時序信號并向量可以用一系列的旋轉角度來加以處理，并且其最后得出的經過旋轉處理的時序信號并向量可以相對應于所選定的旋轉角度加以顯示，以便檢測、測量出其樣品的彈性各向異性。
本發明還提供了一種用于記錄代表著地質結構巖石樣品對所輸入的剪力波的響應的時序信號的并向量、從而能檢測、測量出該樣品中的彈性各向異性的新穎的裝置。該裝置還包括有用于處理其時序信號并向量以檢測、測量出其地質結構樣品中的彈性各向異性的處理裝置。通過記錄時序信號并向量，將可以大大簡化和加速對地質巖層結構樣品中的彈性各向異性的檢測、測量。在這種裝置的一個實施例中，具有正交偏振方位的第一和第二剪力波發送變送器產生沿樣品縱軸方向傳播的剪力波，具有正交偏振方位的第一和第二剪力波接收變送器記錄代表著樣品對于在其另一端所輸入的各剪力波中的每一個的響應的時序信號。在這種裝置的另一個實施例中，可在第一和第二偏振方位之間轉動的一剪力波發送變送器產生沿樣品縱軸方向傳播的剪力波，并用可在第一和第二偏振方位之間轉動的一剪力波接收變送器記錄其樣品對沿其第一和第二偏振方位輸入的剪力波的響應。
圖1a是用于檢測、測量巖石樣品中的彈性各向異性的裝置的剖面圖。
圖1b是圖1a所示的用于檢測、測量地質巖層結構樣品的彈性各向異性的裝置的透視圖。
圖2示出了對于一各向同性材料(如熔凝石英)用具有固定取向ψt的偏振發送變送器和具有一系列取向ψr的偏振接收變送器所采集到的一系列的時序信號。
圖3示出了作為接收變送器取向ψr的函數的信號振幅的理論值和觀測值。
圖4示出了對于一各向異性材料(如McNabb頁巖)用具有固定取向ψt的偏振發送變送器和具有一系列取向ψr的偏振接收變送器所采集到的一系列的時序信號。
圖5示出了在圖4所示條件下但樣品方位已轉過了45°角時的對各向異性材料所采集到的一系列的時序信號。
圖6示出了所觀測到的、作為接收器方位角ψr的函數的、由圖5所示的快的(信號1)和慢的(信號2)這兩種傳播模的信號的振幅。
圖7示出了對于一各向異性材料(如McNabb頁巖)用可產生剪力波的偏振發送變送器和可記錄時序信號的偏振接收變送器所采集到的一系列的時序信號，且其發送和接收變送器的偏振方位同時在0°-180°方位角內同步旋轉。
圖8示出了對于一各向異性材料(如Berea沙巖)用具有其固定取向ψt與各向異性材料的可見層面相平行的偏振發送變送器和具有一系列取向ψr的偏振接收變送器所采集到的一系列的時序信號。
圖9示出了在圖8所示條件下但其樣品方位已轉過了20°角時的對各向異性材料所采集到的一系列的時序信號。
圖10a示出了對于一各向異性材料(如McNabb頁巖所采集到的時序信號的并向量。
圖10b示出了對于圖10a所示的McNabb頁巖的并向量施加了一系列旋轉角度后所產生的一系列相應的側向分量時序信號Φ12。
圖10c示出了對于圖10a所示的McNabb頁巖的并向量施加了一系列旋轉角度后所產生的一系列相應的側向分量時序信號Φ21。
下面將結合最佳實施例進行詳細說明。
本發明提供了一種用于檢測和測量其地質結構樣品中的彈性各向異性的裝置和方法。
參見圖1a和圖1b，它們示出了一種已經改進了的用于檢測、測量巖層結構樣品中的彈性各向異性的試驗裝置。圖1a示出了本發明的這種試驗裝置的剖面圖，圖1b示出了該試驗裝置的透視圖。該試驗裝置可用于根據在其樣品S中傳播的剪力波的傳播速度和振幅來檢測、測量其彈性各向異性的大小及其對稱效應。該試驗裝置包括有一帶有一對環元件12、14的樣品支架A，且每一個環的孔徑大小應適合于放置樣品S。每一個環12、14還可以進一步包括有牢固地固定在其中的緩沖棒元件16、18。緩沖棒最好是用某種其阻抗性能與其待測樣品的阻抗良好匹配的各向同性材料(例如膠質玻璃)制造，且環12、14中的每一個均配置有角度座標刻度尺。在這種試驗裝置的第一種實施例中，緩沖棒16、18中的每一個均配置有一個用環氧樹脂固定在其中的具有單一偏振方位的剪力波變送器20、22。在這種試驗裝置的第二種實施例中，每一個剪力波變送器20、22中均包括有兩個其偏振方位彼此正交的剪力波變送器。在下文中，其變送器20將被稱為發送變送器20，而變送器22將被稱為接收變送器22。這一區分僅僅是為了簡化下面的討論，而本領域的技術人員將是能夠適當地選擇變送器20或變送器22中的某一個用作發送變送器或接收變送器。
附在環12上的角度座標刻度尺可以用來相對于某固定座標(即樣品S上的固定標記)或相對于接收變送器22的偏振方位來確定其發送變送器20的偏振方位的取向。類似的，附在環14上的角度座標刻度尺亦可以用來相對于某固定座標(即樣品S上的固定標記)或相對于發送變送器20的偏振方位確定其接收變送器22的偏振方位的取向。環12、14兩者還都配置于若干個緊固螺絲24，它們可用來相對應于樣品S的縱軸L軸向固定各膠質玻璃緩沖棒16、18(從而固定了發送變送器20和接收變送器22的偏振方位)。緊固螺絲24還可以用來使當偏振剪力波變送器20、22在一系列方位傾角中取任一方位傾角時能相對于樣品S縱軸L軸向轉動定位。為了保證剪力波變送器20、22與樣品S間的有效聲學耦合，可以使用某種粘性聚合物(例如聚苯乙烯)將聲能量耦合進并耦合出樣品S。
當把試驗裝置用的隨時間變化的電壓用輸入裝置26施加(以固定振幅和頻率的簡單的正弦波脈沖的形式)到發送變送器20上時，一剪力波可以被輸入進樣品S并作為時間序列信號由接收變送器所記錄。這一時序信號可以由輸出裝置28輸出;隨后由處理電路組件(未示出)進行放大和數字化以進一步處理，以便檢測、測量出其樣品S中的彈性各向異性，如以下將要進一步討論的那樣。
還可以利用兩套與檢測、測量其彈性各向異性有關的分立的角度編碼索引指示。第一套中包含有由樣品S上的某一固定標記處可相對于順時針方向或逆時針方向實施測量的方位角ψt和ψr。其方位角ψt和ψr亦可以根據環12、14上的角度座標刻度尺實施測量。因此，方位角ψt和ψr分別確定了發送變送器20和接收變送器22的偏振方位相對應于樣品S上的某固定方位的取向或彼此之間的取向。類似的，第二套角度θ亦可以由樣品S上的某一固定標記處開始相對于順時針方向或逆時針方向實施測量。第二套中的角θ是由樣品S的某一固定標記開始測量到所測樣品的彈性主軸θP之間的或到樣品S的可見巖石紋路之間的角度。因此，角θ確定了相對應于樣品S上的某固定方位的樣品S的軸性主軸和可見巖石紋路的方位取向。本發明所具有的進一步的優點將證明具有這兩類沿同一方向的參考角度θ和ψ所帶來的收益。應該注意到，樣品S的方位傾角(即角θP)和發送及接收變送器的方位傾角(即角ψt、ψr)可能是相同的，但一般說來這些傾角是有區別的。
為了有助于理解本發明，本發明還提供了下述討論和例子。一種各向異性材料的特征可以說是由在這種各向異性材料中剪力波的彼此正交的傳播模(偏振)的傳播的速度來給出的。一般說來，當給定一個傳播方向后，就存在有兩個通過各向異性材料傳播的剪力波的正交傳播模(偏振)。在這種各向異性材料中，不同傳播模的剪力波的傳播速度是不同的。如果激勵源產生的激勵波，其波模并不吻合于某一允許的傳播模，那么該剪力波將分裂為兩個在這一傳播過程所允許的特征傳播模。這種現象一般稱為剪力波雙折射。對于某一給定的傳播方向，若此時在該各向異性材料中不出現剪力波的分裂，則存在有兩個正交的剪力波偏振方位并且只存在有其兩個允許的傳播模(或稱偏振)中的一個的傳播。在各向異性材料中，其某一剪力波傳播模的傳播速度比其它剪力波傳播的傳播速度更大的偏振方向被稱為該各向異性材料的彈性主軸方向。
對通過各向同性材料的波的傳播進行分析就下述意義上來是簡單的，即此時只有一壓縮波和一可以沿任意傳播路徑傳播的剪力波存在。例如由一各向同性樣品的一端傳播到另一端的偏振的剪力波可以用一類似的偏振剪力波變送器來檢測并可以使用前述過的試驗裝置的第一個實施例來記錄其時序信號。由通過保持相對應于樣品S縱軸方向而固定的發送變送器20的偏振方位的方位角ψt的方法，由輸入發送變送器20產生的剪力波和通過將接收變送器22的偏振方位相對于樣品S縱軸方向依次旋轉過一系列的方位角ψr以記錄樣品對所輸入的剪力波的響應的方法，可以記錄到一系列不同的時序信號。接收變送器22的偏振方位的取向可以通過圍繞著樣品S的縱軸L作順時針或逆時針的方位旋轉加以改變。當一次次地增加方位角ψr(由發送變送器20和接收變送器22的偏振方位均加以調整以使ψr＝0°時的初始方位角開始測量)時，在方位角ψr＝90°時將在記錄到的時序信號中觀測到信號消失現象出現。可以預測這種信號消失現象將在當發送器和接收器的偏振方位取向彼此垂直時出現。類似的，當接收變送器偏振方位再次與發送變送器偏振方位垂直時，即在接收器方位角ψr＝270°處將會出現第二次信號消失現象。
現在參見圖2，它示出了使用本發明的試驗裝置的第一個實施例對一各向同性材料樣品(例如熔凝石英)進行的實驗記錄。在樣品S的端面上用黑箭頭示出了發送變送器20和接收變送器22的偏振方位的初始取向。當接收變送器22圍繞著樣品S的縱軸以逆時針方向依次轉動過一系列的方位角ψr時，可以記錄到并顯示出一系列的相對應于各個方位角ψr的時序信號。在這里，時間是沿著每一時序信號的徑向向外延伸而增加的。圖中還清楚地表明了在方位角ψr＝90°和ψr＝270°處會發生信號消失現象。
簡單的理論分析將能推出，其信號振幅應該對應于角ψr呈現為一簡單的余弦關系。實際上，圖3已把觀察到的各信號振幅(在接收變送器偏振方位處于不同方位角ψr時所測得的值)與相對應于同一方位角的理論推算出的振幅值進行了比較。
可以對一各向異性材料(例如McNabb)進行類似的試驗。圖4示出了使用該試驗裝置的第一實施例和前述的測量技術對McNabb頁巖所記錄到的一系列的時序信號。黑箭頭表示其偏振發送變送器20的固定方位(ψt＝0°)和偏振接收變送器22的初始方位，它們通常平行于巖石上的可見紋路，而這些紋路已用一系列的平行線示出了(即θf＝0°)。當接收變送器22圍繞著樣品S的縱軸依次旋轉到某一方位角ψr時，所記錄到的時序信號示出在記錄該時序信號時的方位角的方位上。樣品S用一園柱形端面示出，而本領域技術人員能夠知道也可以采用其它的樣品形狀。觀測到的最大的信號振幅對應于ψr＝0°處，而在ψr＝90°和270°(即發送變送器20的偏振方位與接收變送器22的偏振方位相互垂直)時將觀測到信號消失。而且正如在時序信號所記錄到的那樣，只有一種剪力波傳播通過樣品S。將發送變送器20的偏振方位調整到與樣品S上的可見紋路相互垂直時，也可以實施其類似的試驗。正如所預期的那樣，亦只能觀測到一種剪力波信號傳播通過樣品S;然而它的傳播速度比圖4所描述的那種剪力波的傳播速度低。而且，當接收和發送變送器的偏振方位彼此平行時時序信號亦具有其最大振幅，而在接收變送器22的方位相對于發送變送器20的方位測量出的轉動角度ψr為90°或270°時亦將觀測到信號的全部消失。
因此，這些試驗進一步證實了下述理論推論，即當發送變送器20的偏振方位被調整到與樣品的各向異性彈性主軸相平行或相垂直時，存在有具有不同傳播速度的剪力波傳播模。然而，當樣品的可見紋路或其彈性主軸與發送變送器20的偏振方位不相垂直時，所記錄到的時序信號就會變得非常復雜和混亂。圖5示出了所記錄到的一系列的、作為接收變送器22的方位角ψr的函數的時序信號，它們也是使用這種試驗裝置的第一實施方案和前面已討論過的技術所采集到的。其中，黑色箭頭表示接收變送器22的初始方位和相對應于樣品S固定的發送變送器20的偏振方位的方位角ψt。樣品中的平行線表示樣品的可見紋路的取向。在這里，樣品的可見紋路的取向確定為方位角θf＝45°，該角度是在樣品的可見紋路與發送變送器20的偏振方位之間測得的。
參見圖5所示的圖形，根據彈性各向異性介質的理論，可假設一剪力波將分為其偏振方位相互垂直的兩種剪力波信號(傳播模)，其中之一的偏振方位平行于其彈性紋路，而另一的偏振方位與之垂直。作為時間函數的這兩種剪力波信號的振幅可以由公式(1)給出A(t)＝S0cosΩrcosΩtf(Vf，t)+S0sinΩtf(Vs，t) (1)信號1信號2其中，SO為發送變送器20的強度，Ωt和Ωr分別為發送和接收變送器的偏振方位相對應于樣品的彈性主軸所形成的夾角，f(Vf，t)為剪力波中具有較快傳播速度的傳播模的速度Vf的波動函數，f(Vs，t)為剪力波中具有較慢傳播速度的傳播模的速度Vs的波動函數。當發送變送器的方位角固定為Ωt且施加在發送變送器20上的電壓亦保持不變時，公式(1)可以簡化為A(t)＝F1cosΩr+S1sinΩr(2)其中，S1和F1中含有發送變送器的源強度S0和方位角Ωt(F1＝SocosΩtf(Vf，t)，S1＝SOsinΩtf(Vf，t))。
當接收變送器22的偏振方位被調整到與樣品的可見紋路相平行時，可以預測并且確實可觀測到其傳播較快的剪力波傳播模的信號具有最大的振幅。因此，接收變送器的取向吻合于方位角Ωr＝0°且公式(2)僅包括有一種傳播模的波動信號。類似的，當發送變送器20的取向吻合于方位角Ωt＝0°時公式(2)亦僅包括有一種傳播模的波動信號。在發送變送器和接收變送器兩者均取其它的方位角Ω時，將同時出現兩種剪力波信號。這些信號的區分和識別將取決于許多因素，其中包括各向異性傳播速度的大小、傳播的路徑長度、衰減和源特性等等。
McNabb頁巖具有足夠大的速度各向異性，從而能夠對兩種剪力波信號進行十分清晰的識別和檢測。在圖6中將圖5所示的對于較快的和較慢的傳播模信號的所測得的振幅表示為接收變送器22的方位角Ωr的函數。這一曲線圖示出了與公式(2)相一致的、由觀測到的振幅值構成的三角函數曲線形式，并且示出了其第二種較慢的傳播模信號相對于較快的傳播模的信號有90°的偏移。而且，測出的振幅在降低，這一點在其第一種信號隨方位角增大的變化中表現的更為明顯。因為在進行這種試驗中，時間是在不斷增大的方位角處隨每一順序觀測而增加的，其粘滯耦合隨時間的增加而降低及由于接收變送器22相對應于樣品S的轉動而產生的重復剪切可能是造成這種振幅漂移的主要原因。但是，若在任意時間或在相應的方位角Ωr處，對較快的和較慢的傳播模信號的振幅加以同步測定，其結果表明它們的相對強度是不受其影響的。在較快的和較慢的這兩種傳播模信號的相對最大值處的振幅之間的差異可能是由于以下若干原因引起的(1)這兩種剪力波的固有衰減不同;(2)由于聲學阻抗匹配失調而引起的輸入損失。
在前述的各試驗中，發送變送器20的偏振方位均相對應于樣品的可見紋路而固定。在下述的使用這種試驗裝置的第一實施方案對McNabb頁巖樣品進行的實驗中，發送變送器20和接收變送器22的偏振方位取向同時同步地改變。所記錄到的時序信號在圖7中被繪制在方位角ψ的180°的范圍內。對于每一方位角ψ，發送變送器20和接收變送器22的偏振方位均進行調整并使其彼此平行。正如所預期的那樣，在ψ＝0°處導致兩種剪力波傳播模信號中其較快的那一傳播模的信號增大，而在ψ＝90°處則正好相反，最大振幅信號出現在兩種傳播模信號中較慢的那一種中。請注意，在ψ＝180°處并不存在偏振逆轉，這是因為發送變送器20和接收變送器22間的相位靈敏度在旋轉過程中還保持著。
取一Berea沙巖樣品并利用這種裝置的第一實施方案和前面討論過的對于McNabb頁巖樣品測量時所使用的技術實施測量。所記錄到的作為接收變送器22的偏振方位角ψr的函數的時序信號如圖8所示。發送變送器20的偏振方位最初定位于與樣品的可見紋路相垂直的方向，如黑色箭頭所示，以保證所獲得的信號只是傳播較慢的傳播模的信號。然而如圖8所示，所記錄到的有關Berea沙巖各向異性性質的時序信號和對McNabb頁巖所記錄到的信號相比較，看起來是相當復雜的。對時序信號的研究揭示了這兩種信號的特征。但是，當發送變送器的偏振方位與樣品的可見紋路相垂直時，這兩種剪力波信號的出現就與所預期的不符了。實際上，只有在方位角ψ大約為20°和110°處時才能觀測到簡單的單一信號。若將樣品S的可見紋路相對應于發送變送器的偏振方位機械轉動大約20°，就能獲得如圖9所述的時序信號。這些時序信號現在呈現出所期望的相對應于在簡單的各向異性介質中傳播的剪力波信號的形式。當接收和發送變送器的偏振方位相互垂直時，其相關于單一種信號的信號振幅的簡單的正弦波形和信號完全消失的情況如圖10所示。出人意料的是，申請人還發現，當其彈性主軸與其可見紋路不相重合時，Berea沙巖具有明顯的各向異性。實際上，Berea沙巖中的各向異性彈性主軸被認為是首先是由于細微裂縫的存在而不是由于其礦物質的排列取向而形成的，這與McNabb頁巖樣品的情況不同。
所有上述例子簡明地證實了可為熟悉物理學知識的人所理解的種種所預期的推論。然而，這種檢測、測量地質巖石樣品中的彈性各向異性的方法需要記錄一系列的、相應于圍繞著樣品縱軸的不同方位角的時序信號。申請人在本發明中還提供了一種更迅速和更新穎的用于檢測、確定結構樣品中的各向異性的測量值的方法。為了便于進行進一步的討論，將首先給出一個已經簡化了的例子。
一McNabb頁巖樣品(與前面所評述過的相類似)的彈性主軸在用這種試驗裝置的第一個實施方案進行的實驗中，其方位取向可以為任意一方位角θp。如圖10a所示，共記錄4個時序信號。用接收變送器22在與將剪力波輸入樣品的第一發送變送器20的第一偏振方位(ψt＝0°)相平行(ψr＝0°)和相垂直(ψr＝90°)時記錄其第一和第二時序信號;類似的，用接收變送器22在與將剪力波輸入樣品的發送變送器20的第二偏振方位(ψt＝90°)相垂直(ψr＝90°)和相平行(ψr＝0°)時處記錄其第三和第四時序信號。不難理解，方位角ψt和ψr應局部定位且接收變送器22和發送變送器20的偏振方法還將在某種潭壬先范ㄆ湎嘍雜諮返目杉坡坊螄嘍雜諮返牡災髦岬募薪鉛浮；瘓浠敖玻 0a所示的這四個記錄得到的時序信號也可以利用這種試驗裝置的第二實施方案來獲得。其實施方法如下，利用具有第一偏振方位(ψt＝0°)的第一發送變送器將剪力波輸入樣品，并且用具有第一和第二偏振方位(ψr＝0°和ψr＝90°)的第一和第二接收變送器記錄樣品的相應的響應，利用具有第二偏振方位(ψt＝90°)的第二發送變送器將剪力波輸入樣品，并且用具有第一和第二偏振方位(ψr＝0°和ψr＝90°)的第一和第二接收變送器記錄樣品的相應的響應。
申請人已改進出了另一種新穎的用于檢測、測量地質巖石樣品中的彈性主軸方位的方法，該方法只需利用到所記錄到的通過樣品傳播的剪力波的四個時序信號。為了簡化下面的討論，所記錄到的時序信號一般稱之為一并向量，并用符號Φij表示。其中下標j表示發送變送器20的方位ψt(即1＝第一方位取向，2＝第二方位取向)。發送變送器20的第一和第二方位取向一般是相互垂直的，但這決不是必須滿足的條件。類似的，下標i表示接收變送器22的方位取向Φr(即1＝第一方位取向，2＝第二方位取向)。通常接收變送器22的第一和第二方位取向也是相互垂直的，但這也不是必須滿足的條件。因此，圖10a中的第一時序信號可以定義為Φ11，則第二信號定義為Φ12，第三信號定義為Φ21，第四信號定義為Φ22。這四個時序信號在下面將稱之為并向量，并且可以表示為Φ11Φ12Φij＝ (3)Φ21Φ22我們已經發現，若對信號Φij的并向量進行適當的處理，并向量的側向分量(即時序信號Φ12和Φ21)可以減小到基本上為零。于是，信號并向量已對角化了。因此，使這一并向量Φij對角化的角Ω可以用來測定出其各向異性樣品的彈性主軸相對應于發送變送器20和接收變送器22的偏振方位的方位取向。
這一處理過程可以更簡單地表示為Φcm＝Cci(Ωr)ΦijMjm(Ωt) (4)其中，Φcm表示已對角化了的時序信號的并向量，Φij表示所記錄到的時序信號，Cci(Ωr)和Mjm(Ωt)為轉動算子，它們可以用來表示接收變送器和發送變送器的偏振方位轉過了一個假想的角度Ω。
用將從0°到90°之間的一系列的角度值Ωr＝Ωt＝Ω依次代入公式(4)的方法，便可以測定出一個能使并向量Φij的側向分量減小到最小值的近似角度值。特別值得指出的是，參見圖10b和圖10c，它們已示出了依次用從0°到90°之間的一系列角度值(其增量為10°)進行處理之后的并向量Φij的側向分量(即Φ12和Φ21)。從圖中可以清楚地看出其側向分量的最小信號振幅的位置，而且其位置還相對應于已知的、該樣品的可見紋路和彈性主軸相對應于發送變送器的方位取向的方位取向(即Ωt＝20°)。
正如前面所討論的那樣，用采集時序信號的并向量Φij、并實施如公式(4)所示的轉動流程以使并向量的側向分量對角化的方法，測定出的彈性主軸位于方位角Ω＝20°處。還應指出的是，在公式(4)中，使其時序信號并向量Φij對角化所必需的角度Ωr、Ωt可以用如下公式確定Ωr＝ (α-γ)/2 (5a)Ωt＝ (α+γ)/2 (5b)其中
其中，Ωr和Ωt分別為發送變送器20和接收變送器22相對于樣品的彈性主軸的未知的方位取向。
以上已公開了一種用于檢測、測量地質巖石樣品中的彈性各向異性的方法和裝置。本領域的熟練的技術人員能意識到，這種方法和裝置可以進一步加以發展以用于用測定在沿著某地質巖石結構的相互垂直的軸向取得的三個分離的樣品中的彈性主軸的方法測定其地質結構樣品中的各向異性的對稱性，以及進一步發展為用于在模擬實際地質結構條件的高溫、高壓條件下進行測量的方法。不難理解，在不超出為各權利要求所限定的本發明的范圍內，本發明的方法和裝置還可以進一步加以改變。
權利要求
1.一種檢測、測量地質巖石結構樣品中的彈性各向異性的方法，包括以下步驟(a)記錄代表著樣品對所輸入的剪力波的響應的時序信號并向量；(b)處理時序信號并向量以檢測、測量出樣品中的彈性各向異性。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于其中的處理時序信號并向量的步驟中包括將時序信號并向量對角化。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于其中的處理時序信號并向量的步驟中包括(a)將時序信號并向量依次旋轉過一系列的角度;(b)顯示相對應于所述一系列角度中的每一個角度的、已轉動過的時序信號并向量中的時序信號側向分量。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于其中的記錄時序信號并向量的步驟中包括(a)用一具有第一偏振方位的變送器將第一剪力波輸入其樣品中;(b)用具有第一和第二偏振方位的第一接收器記錄代表著樣品對所輸入的第一剪力波的響應的第一和第二時序信號Φ11、Φ21;(c)用一具有第二偏振方位的變送器將第二剪力波輸入其樣品中;(d)用具有第一和第二偏振方位的第二接收器記錄代表著樣品對所輸入的第一剪力波的響應的第一和第二時序信號Φ12、Φ22。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于其中的時序信號Φ11、Φ12、Φ21和Φ22的并向量的對角化過程如下Φcm＝Cci(Ωr)ΦijMjm(Ωt)其中Φ11Φ12Φij＝Φ21Φ22Cci(Ωr)＝第一轉動算子Cjm(Ωt)＝第二轉動算子Φcm＝已處理過的時序信號。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于其中的使時序信號并向量對角化的第一轉動算子中的角Ωt和第二轉動算子中的角Ωr的確定過程如下Ωr＝ (α-γ)/2Ωt＝ (α+γ)/2其中
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于其中(a)角Ωt給出了一個相關于由樣品主軸測量到其將剪力波輸入樣品的變送器的偏振方位的方位角度測量值;(b)角Ωt給出了一個相關于由樣品主軸測量到第一和第二接收器的偏振方位的方位角度測量值。
8.一種檢測、測量地質巖石結構樣品中的彈性各向異性的裝置，包括(a)用于記錄代表著樣品對所輸入的剪力波的響應的時序信號并向量的剪力波變送器裝置;(b)用于處理時序信號并向量以探測、測量出其地質結構樣品中的彈性各向異性的處理裝置。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于其中的剪力波變送器裝置中包括(a)用于將偏振方位不同的第一和第二剪力波輸入樣品的剪力波發送變送器裝置;(b)用于記錄相應于輸入樣品中的偏振方法不同的第一和第二剪力波中的每一個波的第一和第二時序信號。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于其中(a)輸入樣品的偏振方位不同的第一和第二剪力波具有相互垂直的偏振方位;(b)相對應于輸入樣品的偏振方位不同的第一和第二剪力波中的每一個波所記錄到的第一和第二時序信號具有相互垂直的偏振方位。
11.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于(a)剪力波發送變送器裝置包括具有其偏振方位相互垂直的第一和第二剪力波發送變送器;(b)剪力波接收變送器裝置包括具有其偏振方位相互垂直的剪力波的偏振發送器。
12.根據權利要求11所述的裝置，其特征在于其中的第一和第二發送變送器的偏振方位與第一和第二接收變送器的偏振方位相互匹配。
13.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于其中(a)剪力波發送變送器裝置包括一個可在第一和第二偏振方位之間轉動的剪力波發送變送器;(b)剪力波接收變送器裝置包括一個可在第一和第二偏振方位之間轉動的剪力波接收變送器。
14.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于其中的代表著樣品對所輸入的剪力波的響應的時序信號的并向量由下式構成Φ11Φ12Φij＝Φ21Φ22其中，時序信號Φij表示樣品相對應于由具有偏振方位為j的剪力波發送變送器所輸入的、并由具有偏振方位為i的剪力波接收變送器所記錄到的剪力波的響應。
全文摘要
本發明提供了一種用于檢測、測量地質結構樣品中的彈性各向異性的新方法。用輸入一具有第一和第二偏振方位的剪力波、并用具有第一和第二偏振方位的剪力波變送器記錄樣品對所輸入的每一剪力波的響應的方法采集其時序信號并向量。在本發明一個實施例中，該時序信號并向量可以進行對角化處理。在另一實施例中，該時序信號并向量可以用一系列旋轉角度加以處理，其最后得出的經過轉動處理的時序信號并向量以所選定的轉動角度加以顯示。
文檔編號G01N33/24GK1034064SQ8810843
公開日1989年7月19日 申請日期1988年10月14日 優先權日1987年10月14日
發明者理查德·馬丁·奧爾福德, 卡爾·亨德遜·桑德蓋爾德, 陳德拉·謝卡·賴 申請人:阿莫科公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
