ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 3, с. 343-346
= ГЕОФИЗИКА
УДК 550.34
ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ФЛЮИДА НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФРИКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
БЛОКОВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ © 2015 г. Г. Г. Кочарян, А. А. Остапчук
Представлено академиком РАН В.В. Адушкиным 26.03.2014 г. Поступило 01.04.2014 г.
В статье представлены результаты лабораторных экспериментов, в которых обнаружен новый эффект радикального изменения режима сдвигового деформирования трещины при переходе определенного предела вязкости тонких пленок флюида, смачивающего поверхности частиц материала-заполнителя.
Б01: 10.7868/80869565215210148
В последние несколько лет в результате выполнения ряда международных проектов по бурению разломных зон опубликованы новые важные результаты о строении разломов мегаземлетрясе-ний и свойствах слагающих их геоматериалов [1]. Особенно интересные данные получены в результате извлечения образцов из Нанкайского желоба [2, 3] и Японской трещины, в том числе из разлома мегаземлетрясения Тохоку 11 марта 2011 г. с моментной магнитудой М„ = 9.0 [4, 5]. Мы акцентируем внимание на том обстоятельстве, что фрикционные свойства материалов, извлеченных из разных разломов, существенно различаются [2—4]. Это приводит к формированию в условиях близкого напряженного состояния различных режимов деформирования — медленных землетрясений [2, 3], цунамигенных землетрясений типа Тохоку [4] и "обычных" событий [2]. Некоторые авторы предполагают, что различное фрикционное поведение может быть связано с разным составом глинистых минералов, которые составляют от 37 до 85% перетертого материала, извлеченного из центральной части разломных зон [2, 4]. Столь высокое содержание глины характерно для верхней части разломов, расположенной в пределах аккреционной призмы и вблизи нее. С увеличением глубины содержание глины падает, а содержание кварца растет, что приводит к возможности возникновения нестабильности [3]. Тем не менее и на достаточно больших глубинах матери-
Институт динамики геосфер Российской Академии наук, Москва E-mail: gevorgk@idg.chph.ras.ru
ал в магистральной части разлома неизменно содержит такие минералы, как смектит, каолинит, и др. Коллоидные пленки, формируемые глинистыми минералами, обладают выраженными вязкими свойствами и даже в небольшом количестве могут оказать радикальное влияние на фрикционные характеристики разлома.
В настоящей работе мы представляем результаты лабораторных экспериментов, в которых обнаружен новый эффект радикального изменения режима сдвигового деформирования трещины при переходе некоторого предела вязкости тонких пленок флюида, смачивающего поверхности частиц материала-заполнителя.
В проведенных опытах гранитный блок размером 8 х 8 х 3 см располагался на неподвижном гранитном основании. Контакт между шероховатыми поверхностями заполнялся слоем кварцевого песка толщиной 2.5 мм со средним размером зерен d = 0.2—0.3 мм. Средняя глубина шероховатости была заметно больше размера песчинки и составляла 0.5—0.8 мм. К блоку через специальное приспособление, которое исключало появление сдвиговых усилий на его верхней грани подвижного блока, прикладывалась нормальная нагрузка, которая создавала напряжение сти от 50 до 150 кПа. Сдвиговое усилие прикладывалось к блоку при помощи пружинного элемента с жесткостью К = 10—40 Н/мм. Скорость деформации пружины была постоянной и составляла ы5 = = 20 мкм/с. Сдвиговое усилие, действовавшее на верхний блок, измеряли датчиком силы СМС/5кН с точностью 1 Н, а относительное смещение блоков регистрировали лазерными датчиками 1ЬЭ2220-10 (О) в полосе частот 0—5 кГц с точностью 0.1 мкм.
Сдвиговое напряжение, кПа 50
45 40 35 30 25
20
15
10
0 1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 Смещение, мм
Максимальная скорость, мм/с 100 * • •
10
0.1
Рис. 1. Зависимость сдвиговое напряжение—межблоковое перемещение: 1 — сухой песок, 2 — песок с 0.5%-м содержанием жидкости с вязкостью 100 мПа • с. Нормальная нагрузка 83 кПа.
В описываемой серии опытов песок увлажняли небольшим количеством флюида (у ~ 0.5% по массе), вязкость которого п изменялась от опыта к опыту в диапазоне от 0.3 мПа • с до 20 Па • с.
Контакт, заполненный сухим кварцевым песком, во всем диапазоне используемых нормальных нагрузок не проявляет свойства скоростного разупрочнения, демонстрируя стабильное скольжение после достижения касательными напряжениями кулоновского предела прочности (рис. 1). Незначительное увлажнение материала-заполнителя радикально изменяет процесс деформирования, переводя контакт в режим прерывистого скольжения или стик-слипа. Заметим, что и при стабильном скольжении скорость относительного смещения блоков Ут оказывается не постоянной, а варьируется в диапазоне 0.1—0.5 мм/с. Увеличение содержания флюида с вязкостью менее 1 Па • с уже при у ~ 0.1% приводит к довольно резкому переходу от стабильного скольжения к прерывистому, при дальнейшем увеличении влажности режим стабилизируется и вплоть до у ~ 10% изменение характеристик режима деформирования почти не зависит от влажности заполнителя. На рис. 2 приведена зависимость максимальной скорости межблокового смещения для различных значений процентного содержания глицерина в заполнителе. Если для сухого песка Ут ~ 5 • 10-4 м/с, то уже при
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
Влажность, %
Рис. 2. Зависимость максимальной скорости перемещения от степени увлажнения песка жидкостью с вязкостью п = 900—950 мПа • с. Нормальная нагрузка 83 кПа.
у~ 0.1% скорость срыва увеличивается более чем в 300 раз — до 1.6 • 10-1 м/с.
В процессе прерывистого скольжения свойства контакта непрерывно изменяются. Нарушенный в процессе динамического срыва контакт упрочняется на стадии относительного покоя, на которой скорость смещения мала. Накопление энергии на этой стадии приводит к постепенному увеличению скорости скольжения и величины межблокового перемещения, что в свою очередь вызывает быстрое разупрочнение контакта [6].
В основной серии экспериментов исследовали влияние вязкости увлажняющей жидкости на вид реологической кривой для межблокового контакта. Измерения показали, что изменение вязкости флюида не приводит к радикальному изменению кулоновской прочности контакта. Предельная прочность а с варьируется в пределах 35—45 кПа, т.е. изменения составляют около 20%. Значительно сильнее, в 15 раз, изменялась в экспериментах величина скачка напряжений при динамическом срыве Ас. Амплитуду сброса напряжений при прерывистом скольжении удобно характеризовать отношением —, зависимость которого от вязкости ст с
флюида, увлажняющего заполнитель, показана на рис. 3. Из приведенного графика видно, что зависимость — (п) оказывается не монотонной, а носит
выраженный пороговый характер. Постепенно возрастая с увеличением вязкости флюида вплоть
до величины п ~ 1 Па • с, значение — затем резко
а с
1
5
ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ФЛЮИДА
345
падает почти на порядок с дальнейшим постепенным снижением. Таким образом, при вязкости флюида выше определенного предела режим деформирования контакта вновь становится квазистабильным. Выраженный стик-слип на нем практически не наблюдается.
Этот феномен связан с характером взаимодействия частиц заполнителя трещины. При добавлении небольшого количества флюида на поверхности частиц образуется тончайшая пленка жидкости, сглаживающая неровности и способствующая формированию контакта между отдельными гранулами. Толщина пленки флюида к при влажности у = 0.5% составляет величину порядка 0.5 мкм.
В результате приложения нормальной нагрузки внутри заполнителя образуются силовые цепочки из частиц, нагруженных более сильно, чем основная масса. Это неоднократно наблюдалось, например, в экспериментах с фотоупругими материалами [7]. Именно эти силовые цепочки определяют фрикционное сопротивление контакта. Чем больше вязкость флюида, тем лучше сглаживаются неровности частиц. Частица становится "более круглой", что способствует образованию большего количества силовых цепочек и, как следствие, увеличению амплитуды скачка напряжений при их динамическом разрушении. Это непосредственно продемонстрировано в экспериментах с круглыми и угловатыми частицами [8, 9].
На нагруженных нормальным давлением контактах излишки флюида выдавливаются, скапливаясь в поровом пространстве между зернами. При определенной "критической" скорости деформации б с этот флюид проникает внутрь контакта, смачивая поверхность, что приводит к формированию режима стабильного скольжения. При этом величина критической скорости обратно пропорциональна вязкости флюида ес ~ п-1. Этот эффект хорошо известен в трибологии [10].
В наших опытах при вязкости флюида п < < 1000 мПа • с скорость деформации оказывается недостаточной для достижения эффекта смачивания контакта. При п ^ 1000 мПа • с происходит проникновение флюида между частицами напряженных цепочек, что приводит к затуханию эффекта стик-слипа. При этом чем больше вязкость флюида, тем при меньшей скорости деформации скольжение стабилизируется.
Протекающий в квазистационарном режиме по расположенным на глубине трещинам водный раствор типично содержит 1010—1011 алюмосили-катных частиц микронного размера на 1 м3. В этих растворах происходят процессы агрегации — образования укрупненных структурных элементов в результате слипания отдельных частиц. При распространении флюида в зернистой среде эти элементы формируются в промежутках между частицами, об-
Аа/ас 0.40
10-1 100 1 01 102 1 03 1 04 105
Вязкость, мПа • с
Рис. 3. Зависимость изменения сдвигового усилия от вязкости жидкости. Нормальная нагрузка 83 кПа, массовая доля жидкостей 0.5%.
разуя вязкие колоидные пленки микронной толщины, обволакивающие частицы заполнителя трещин. Согласно результатам проведенных экспериментов, вязкость этих пленок, зависящая от химического состава глин, может определять режим деформирования разлома. При высоких величинах вязкости скольжение стабилизируется после достижения определенной скорости деформации, не достигая значений ~1 м/с, характерных для "нормальных" землетрясений.
Довольно небольшое понижение вязкости флюида в ма
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.