УДК 551.324.5:551.321:620.179.17
Исследования ледников на основе акустических измерений
© 2013 г. В.П. Епифанов1, А.Ф. Глазовский2
1Институт проблем механики имени А.Ю. Ишлинского РАН, Москва 2Институт географии РАН, Москва evp@ipmnet.ru
Статья принята к печати 22 апреля 2013 г.
Акустическая эмиссия, ледник, неустойчивость, реология льда, условия на ложе, физическое моделирование.
Acoustic emission, bedrock conditions, glacier, instability, physical modeling, rheology of ice.
Рассмотрены возможности исследования движения льда в леднике и его анализа с помощью метода акустической эмиссии в диапазоне частот 15-20 кГц. Создана портативная измерительная акустическая линия и решён ряд методических вопросов. Выполнены акустические исследования ледникового льда, имитированы камнепад, трещинообразование в леднике и его движение по ложу. Установлены соответствия параметров акустической эмиссии определённому источнику. Обобщены результаты акустических исследований на ледниках Альдегонда (Шпицберген), Центральный Туюксу и Молодёжный (Северный Тянь-Шань). Рассмотрена зависимость адгезионной прочности соединения льда с гладкой подложкой (серпентинит) от скорости сдвига, оценено влияние препятствия в виде тора на силу сдвига. В собственных акустических спектрах исследованных ледников обнаружены акустические эффекты, характерные для разрушения льда на препятствиях. Полученные результаты можно использовать для создания мобильной ледниковой лаборатории и системы дистанционного акустического мониторинга процессов в придонных слоях ледника.
Введение
При движении льда на ложе ледника и в его толще, и на поверхности нарушается сплошность. Эти нарушения сопровождаются излучением упругих волн, т.е. сигналами акустической эмиссии. Параметры таких сигналов физически связаны с их источником, поэтому они могут служить ценным источником информации о кинетике образования трещин и механизмах движения в ледяной толще и на ложе [4, 5]. Однако ледниковый лёд — неоднородная среда, содержащая пузырьки воздуха, фильтрационные каналы и трещины. Она служит фильтром высокочастотных гармоник для сигналов акустической эмиссии. Наиболее «благоприятен» для решения гляциологических задач, связанных с пластичностью льда, вариант, когда диаметр включений Б меньше длины X акустической волны. При Б < X ледниковый лёд можно рассматривать как акустически однородную сплошную среду с нелинейной зависимостью коэффициента ослабления а от частоты f, а ~ /2. Более информативны для исследования механизмов движения льда в леднике частоты, при которых Б ~ X, напротив, менее информативны частоты сейсмического диапазона, когда Б << X.
Настоящая работа продолжает исследования, касающиеся изучения акустических свойств лед-
никового льда как волновода-фильтра [6], а также физического моделирования адгезионно-коге-зионного разрушения придонного льда [7]. Обобщение новых экспериментальных данных и ранее полученных результатов позволяет наметить круг первоочередных задач по применению акустических методов для исследования взаимодействия ледников с коренным ложем.
Основные положения и постановка проблемы
Проходя через лёд, звуковая волна вызывает упругое смещение каждой частицы льда относительно её равновесного положения, поэтому акустические методы чрезвычайно чувствительны к структуре льда. Если частицы смещаются вдоль волнового вектора К, то волна определяется как продольная р, если поперёк — то как сдвиговая 5. К основным параметрам звуковой волны относятся скорость V (м/с), длина X (м) и частота f (1/с). Они связаны следующим основным акустическим соотношением:
V,,, = X/ (1)
Измерения скорости звука позволяют рассчитать динамический модуль льда Её = рУр /, где р — плотность. Методика измерений основана на положениях физики «бесконечно малых амплитуд», когда энергия акустической волны мала и не
вызывает необратимых изменений в структуре льда. Диссипация упругой энергии характеризуется коэффициентом ослабления звука
а = 20^(А/А0)/(8,68ДЬ),
(2)
где А и А0 — соответственно амплитуды на удалении Ь от источника звука и на источнике; ДЬ — длина акустического пути.
Уравнение (2) представляет собой результат решения зависимости амплитуды волны от длины акустического пути, записанный в виде А = А0е-аЬ. В акустике звуковое давление измеряется в децибелах; 1 дБ — уровень, при котором выполняется соотношение 20^(р/р0) = 1. Обычно за пороговый уровень отсчёта принимается давление р0 = 2-10-5 Па. Коэффициент ослабления включает в себя поглощение звука на молекулярном уровне и потери вследствие геометрического расхождения звукового луча. В физике бесконечно малых амплитуд (аХ << я) в рамках классической теории выражение для коэффициента поглощения а в случае продольной волны имеет следующий вид:
а-
4п2/2
2рК
ГЛ +Л +ЗС
1 1
"/V
(3)
где п', п" — соответственно сдвиговая и объёмная вязкость; Су, СР — соответственно теплоёмкости при постоянном объёме и давлении; х — коэффициент теплопроводности.
Из уравнения (3) следует, что акустические характеристики связаны не только с упругими и вязкими характеристиками кристаллической решётки льда, но и с его теплоёмкостью. Акустические измерения позволяют также определять плотность дислокаций и длину петли во льду как функцию его термодинамического состояния [10] и выделять стадии пластичности на деформационных кривых льда и гранита [3].
Собственные акустические колебания в ледниках возникают при нарушениях сплошности льда. Эти колебания исследуют в разных диапазонах частот. Сейсмический диапазон лежит в пределах 100—300 Гц и в основном используется для локации источников [12]. Акустический диапазон охватывает гораздо более высокую область частот — до 20 кГц. Акустические измерения позволяют определить не только расстояние до источника колебаний, но и механизмы, их вызывающие [11]. С этой целью в реальном масштабе времени регистрируют амплитуду каждого сигна-
ла и определяют его спектральный состав. Расшифровка сигналов акустической эмиссии основана на физическом моделировании источников и закономерностях распространения упругих волн в ледниковом льде, прежде всего в поверхностном абляционном слое, наиболее доступном для размещения акустических приёмников.
Задача данной работы — рассмотреть возможность изучения взаимодействия ледника с ложем с помощью метода акустической эмиссии в диапазоне частот от 15 до 20 кГц для случая сухого трения. Чтобы наметить подход к решению этой задачи, необходимо решить ряд частных задач:
1) используя приёмы физического моделирования, оценить влияние скорости сдвига на адгезионную прочность соединения льда с гладкой подложкой (серпентинит) и влияние препятствия на подложке в виде тора на силу сдвига;
2) выявить различия параметров сигналов акустической эмиссии для адгезионного и когезионного разрушения льда при сдвиге в условиях стеснения;
3) сравнить акустические эффекты, наблюдаемые при моделировании (когезионном разрушении льда на препятствиях), с собственными акустическими колебаниями в ледниках от удалённых источников;
4) проанализировать и обобщить полученные результаты акустических исследований спектров акустической эмиссии от удалённых источников в ледниках Альдегонда [1, 6] и Центральный Туюк-су [8, 9], а в качестве тестовых измерений использовать имитацию движения по ложу, трещино-образования в леднике и камнепада;
5) сопоставить результаты лабораторных и полевых измерений и определить первоочередные задачи для дальнейших исследований.
Аппаратура, подходы и методика исследований
Для акустических исследований на ледниках нами разработана измерительная акустическая линия (рис. 1, а), в полевой вариант которой входят (см. рис. 1, в): ледобур 1 с закреплённым на нём акустическим датчиком 2; предварительный усилитель 3; акустическая плата 4, размещённая в ноутбуке 5; программа SPECTRLAB 6 и высокочастотный кабель. Все элементы измерительной акустической линии достаточно удобны и надёжны. Их поверка не вызывает особых трудностей. Для крепления ледобура (см. рис. 1, б) выбирают достаточно сухую площадку без близко расположенных трещин. Затем ледобур вворачивают в лёд и изолируют от воздействия солнечных лучей и
Рис. 1. Измерительная акустическая линия: а — элементы акустической линии; б — крепление пьезоэлектрического датчика/приёмника ко льду (ледобур ввёрнут в лёд); в — блок-схема (пояснения см. в тексте) Fig. 1. Acoustic measurement set: а is set elements; б is mounted piezoelectric sensor screwed into the ice; в is a block diagram (explanations see in text)
потоков воздуха. С помощью разъёма устанавливают контакт акустического датчика с измерительной линией. В зависимости от задачи исследования выбирают коэффициент усиления и режим записи сигналов акустической эмиссии на компьютере с помощью программы SPECTRLAB. Запись может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. В результате получают спектрограмму, по осям которой обозначены частота Х, амплитуда Z и время Y.
Для записи сигналов акустической эмиссии использовали датчики типа KD 91 и KB 10 (VeB Metra Mess- und Frequenztechnik Radebeul im VE Kombinat-Pracitronik), а также предусилитель типа SOUND CEFC model № S81140. Функциональный контроль измерительной акустической линии осуществляли в полевых условиях. Координаты точки измерений фиксировали с помощью GPS-тар-приёмника типа 60Cx. Линейные размеры определяли с помощью ленты 7,5 м с ценой наименьшего деления 1 мм. Температуру измеряли термометром типа RST c ценой деления 0,1 °С. Для питания аппаратуры (220 В) использовали генератор Honda EU 10i.
Перед началом и после окончания полевых работ выполняли калибровку измерительной акустической линии с помощью пистонфона в лаборатории механики прочности и разрушения материалов и конструкций Института проблем механики имени А.Ю. Ишлинского РАН (Москва). На ледниках для тестовых измерений применяли ударное возбуждение упругих волн с помощью жёсткого индентора-пробника с фиксированными энергией и длиной акустического пути между
полюсом индентора и приемником на расчищенных площадках ледника.
Кроме того, при исследо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.