Multiscale heterogeneity controls ultrasonic wave propagation in tectonically deformed coal: Insights from CT imaging and numerical wavefield modelling
本研究结合了CT成像与数值波场模拟，旨在证明在构造变形煤中，控制超声波速度衰减、频谱展宽及尾波复杂性的主导因素是多尺度孔隙-裂隙网络，而非矿物包裹体。
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在地球深处，煤层并非均匀的黑色岩石块。经过数百万年的时间，构造板块的移动挤压、剪切并破碎了这些地层，将它们从固体岩石转变为复杂的、破碎的物质。这一过程创造了地质学家所称的构造变形煤，这种物质充满了肉眼看不见的微小裂缝、孔隙和矿物颗粒。为了理解这些隐藏结构的行为方式，科学家经常使用声波。正如医生使用超声波观察人体内部一样，工程师向岩石发送高频声脉冲，以“聆听”其内部情况。声波传播的速度以及它们改变形状的方式，讲述了一个关于材料健康状况与结构的故事。如果岩石是坚实且连续的，声波会移动得快速且清晰；如果岩石是破碎且充满孔洞的，声波则会减速、散射并损失能量。了解这些差异对于矿井安全以及寻找困在煤炭中的天然气至关重要，因为内部结构决定了流体的流动方式以及岩石在压力下的失效情况。
中国矿业大学的研究人员致力于解码煤炭的微观结构究竟是如何控制这些声波的。他们专注于同一矿井中发现的两种截然不同的煤类型：原生煤（保留了其原始且相对完整的结构）和碎裂煤（被构造力挤碎和破碎）。研究团队收集了这两种类型的样本，并对其进行了严格的检查。首先，他们通过样本发射超声脉冲，以测量波速以及波形的变化情况。然后，他们使用了高分辨率X射线计算机断层扫描技术——这种技术类似于医疗CT扫描，但细节度更高——来创建煤炭内部孔隙和矿物的三维数字地图。最后，他们将这些数字地图输入计算机模拟程序，观察声波如何在虚拟岩石中移动，从而使他们能够分离出微小矿物颗粒与较大裂缝各自产生的特定影响。
结果揭示了两种煤类型之间的鲜明对比。声波在原生煤中的传播速度明显更快，压缩波的平均速度为2,381米/秒。而在破碎的碎裂煤中，该速度降至1,571米/秒，降幅接近23%。运动方式不同的剪切波也表现出类似的下降。当研究人员观察数字地图时，他们发现两种煤中的矿物含量几乎相同，仅占总体积的6%到8%。这意味着矿物本身并不是导致减速的主要原因。相反，差异在于空隙。碎裂煤的孔隙率更高，为2%到3%，而原生煤仅为1%到2%。更重要的是，破碎煤中的裂缝不仅数量更多，而且尺寸更大、变化更多样，有相当数量的孔隙和裂缝宽度超过150微米。
声波的行为证实了这些更大、更连通的裂缝才是导致声学变化的真正元凶。在原生煤中，声波保持着稳定的节奏，其能量集中在特定的频率范围内，并以紧凑、可预测的脉冲形式到达传感器。而在碎裂煤中，波形变得混乱。信号到达时间变晚，强度大幅减弱，并在更长的时间内扩散开来。显示高低音混合情况的频谱变得更宽、更复杂，并出现了明显的向低频偏移的趋势。这表明声波在不断撞击无数裂缝壁的过程中发生了散射和反射，在此过程中损失了高频能量。数字模拟提供了谜题的最后一块拼图。当研究人员模拟仅包含矿物颗粒的煤炭时，声波几乎没有受到任何干扰地通过。然而，当他们加入裂缝网络时，声波被迫走上一条曲折的路径，在空隙周围进行反射和衍射。这种散射效应使第一个声脉冲的到达时间产生了可测量的延迟，并产生了一个比在固体岩石中持续时间长得多的散射能量回声。
研究结论指出，虽然煤炭中存在矿物，但在影响声波传播方面，矿物起到的作用很小。主导因素是孔隙-裂缝系统——即由构造应力产生的裂缝和孔洞网络。正是这个网络决定了波速、能量损失量以及信号的复杂性。通过理解这些裂缝的大小和连通性是声学行为的主要驱动因素，科学家可以更好地解读从地下接收到的信号。这一知识为评估地质作用对煤层造成的破坏提供了更清晰的方法，并提高了表征控制气体流动和岩石稳定性的隐藏结构的能力。这项工作为利用声波不仅作为一种测量工具，而且作为一种精确可视化地球内部破碎世界的手段，奠定了坚实的基础。
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