ИСТИНА

Разработка основ неразрушающего экспрессного спектрального и теплофизического анализа горных пород. Определение теплофизических характеристик минералов и горных пород (коэффициентов температуропроводности и теплопроводности, тепловой активности) для экспресс-идентификации горных пород и определения наличия и оценки содержания воды и органических соединений за счет их разного влияния на теплофизические характеристики и оценки их петрофизических параметров (пористость, проницаемость, нефте-, водонасыщенность)

Development of basics of nondestructive rapid spectral and thermal analysis of rocks. Determination of thermal characteristics of minerals and rocks (thermal diffusivity and thermal conductivity, and thermal effusivity) for rapid identification of rocks and determining the presence and evaluation of water content and organic compounds due to their different effect on the thermal characteristics and evaluation of petrophysical parameters (porosity, permeability, oil and water saturation)

Определение теплофизических характеристик минералов и горных пород (коэффициентов температуропроводности и теплопроводности, тепловой активности) для экспресс-идентификации горных пород и определения наличия и оценки содержания воды и органических соединений за счет их разного влияния на теплофизические характеристики и оценки их петрофизических параметров (пористость, проницаемость, нефте-, водонасыщенность)

Разработанные модели фототермических экспериментов и обработки данных, построенные лабораторные фототермические установки.

1. Разработана концепция схемы ТЛС прибора с дискретным набором длин волн с обратной синхронизацией для одновременного получения оптических и теплофизических характеристик образца, позволяющая перестраивать геометрию оптической схемы, время облучения и мощность индуцирующего излучения в широком интервале параметров. Благодаря этому, термолинзовые измерения могут использоваться для термооптических испытаний как устойчивых, так и фото- и химически нестабильных образцов, а также для детектирования как в статических, так и проточных режимах без изменений в оптической схеме измерений. 2. Создана лабораторная установка термолинзового спектрометра (на базе существовавшего до начала работы), работающего в режиме на пропускание с фиксированными наборами длин волн. Кроме того, первоначальная концепция использования термолинзовой спектрометрии для оценки характеристик минералов и горных пород была расширена за счет применения оптико-акустической спектроскопии, разработанной при участии автора проекта в рамках гранта РФФИ 13-03-00535. 3. Проведена оптимизация параметров оптической схемы термолинзового спектрометра. Тесты на модельных образцах (растворы ферроина и фуксина в воде и глицерине) показали, что термолинзовый спектрометр в оптимизированной геометрии оптической схемы обладает линейным динамическим диапазоном сигнала 0.002–7 (соответствующие оптические плотности n ? 10–5 – n ? 10–2) и временем отклика 0.01 с. Эта характеристика спектрометра позволяет использовать его для работы какс жидкими, так и и твердыми образцами. 4. Оценены характеристики пространственного разрешения термолинзовых измерений, для чего проведено термолинзовое картирование дисперсий наноалмазов в тонких слоях водных растворов с целью оценки минимальной области нагрева, которая может быть идентифицирована как единичный объект со своими теплофизическими параметрами. Дисперсии наноалмазов выбраны для этого исследования благодаря тому, что ранее автор проекта показал высокую чувствительность термолинзовых измерений этих объектов. Термолинзовое картирование в тонких слоях дисперсий показывает хорошо видные области с повышенной температурой, которые вызваны светопоглощением индуцирующего лазерного излучения и локальным термолинзовым эффектом. 5. Проведены оценки прецизионности сигнала созданной установки, для этого с помощью ряда модельных систем построены кривые прецизионности в условиях воспроизводимости термолинзовых измерений. Результаты хорошо согласуются с ранее проведенными исследованиями и показывают, что для всех систем достигается приемлемая воспроизводимость измерений. 6. В результате численного моделирования реализованы три математические модели, соответствующие наиболее характерным вариантам проведения двулучевых термолинзовых измерений в растворах. Сравнение результатов, полученных при помощи реализованных моделей, с существующей двумерной бесконечной моделью в одинаковых (допустимых для всех моделей) условиях показало их хорошее согласие. Полученные модели использованы для изучения влияния основных геометрических и физических параметров объекта. Найдены условия, при которых граничные условия теплообмена и геометрические параметры ячейки имеют наиболее сильное и наиболее слабое влияние на аналитический сигнал. 7. Для подбора основных материалов для проведения фототермических экспериментов провели расчеты теплофизических параметров (прежде всего, отсутствующих в литературе данных по температуропроводности и тепловой активности) наиболее распространенных теплопроводящих материалов (алмаз, серебро, золото), модельных систем (стекло, сапфир, сажа) 8. Разработана концепция и схема прибора, реализующего спектроскопию фототермического отклонения с дискретным набором длин волн, проведена оптимизация параметров оптической схемы. Для горных пород и почв предложена установка, реализующая режим фототермического отклонения с коротковолновым зондирующим лазером и длинноволновым индуцирующим лазером и пространственным разрешением 500 мкм. Проведена оптимизация основных параметров геометрии оптической схемы: размеров индуцирующего луча на образце, размеров зондирующего луча в области образца, расстояния между лучом зондирующего лазера и образцом, расстояния между образцом и детектором, а также мощности индуцирующего излучения на поверхности образца. 9. Проведено численное моделирование теплового отклика в фототермическом эксперименте в варианте измерения фототермического отклонения (фототермической призмы) для минералов, горных пород и почв. На основе программных средств MATLAB и COMSOL создан программный комплекс, позволяющий описывать распространение зондирующего луча через фототермический элемент (призму). Подобный подход реализован впервые в полном объеме, он обладает достаточной простотой и обеспечивает значительную точность решения задачи. Созданный пакет программ полностью автоматизирован. 10. Для созданного макро-варианта измерений оценено влияние толщины, способа и условий шлифовки образцов на прецизионность и чувствительность измерений. Проведен выбор оптимальных параметров (крупности зёрен) абразива для обработки для ФТО минералов и горных пород, который составил 50–100 мкм. Изучено изменение температуропроводности образцов горных пород и почв в зависимости от глубины образца с помощью ФТО для образцов горных пород со значимо различающимися теплофизическими параметрами, а также для почв (глубины 100–1000 мкм для почв и 10–100 мкм для горных пород). Сравнение полученных параметров с литературными данными показывает хорошее согласие с ранее полученными результатами для технологических материалов. Отработаны способы пробоподготовки для ФТО измерений. Для оценки температуропроводности выбран тангенциальный вариант измерений при низких частотах прерывания индуцирующего луча из-за его простоты и прецизионности измерений. Для оценки распределения температуропроводности по глубине выбран метод по одновременному измерению амплитудного и фазового сигнала при частотах свыше 30 Гц для снижения влияния тепловых характеристик окружающей среды. Получены данные по теплофизическим параметрам минералов и почвенных образцов. Точность измерений температуропроводности с помощью ФТО выше, чем при использовании объемных и поверхностных тепловых зондов, что в особенности важно для теплофизических измерений почв. Важным и новым результатом является то, что агрегаты размерами 1–2 мм могут быть измерены как отдельные объекты (что не может быть достигнуто с использованием традиционного варианта измерений при помощи тепловых зондов) при той же воспроизводимости, что и крупные объекты горных пород и почв. Результаты работы показывают, что ФТО может быть использована для изучения изменений свойств природных объектов различного иерархического уровня, включая условия агрогенеза и антропогенеза.