научная статья по теме Чувствительность акустической эмиссии образцов горных пород к импульсным электровоздействиям как возможное проявление эффекта вынужденного рассеяния Бриллюэна Биология

Текст научной статьи на тему «Чувствительность акустической эмиссии образцов горных пород к импульсным электровоздействиям как возможное проявление эффекта вынужденного рассеяния Бриллюэна»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 550.348+ 550.37

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД К ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОВОЗДЕЙСТВИЯМ КАК ВОЗМОЖНОЕ ПРОЯВЛЕНИЕ ЭФФЕКТА ВЫНУЖДЕННОГО РАССЕЯНИЯ БРИЛЛЮЭНА

Виргиния Анатольевна Мубассарова1,

инженер-исследователь Леонид Михайлович Богомолов 2,

кандидат физико-математических наук 1 Учреждение Российской академии наук Научная станция РАН Бишкек-49, Научная станция РАН, 720049, Киргизия

2Сахалинский государственный университет ул. Ленина, 290, г. Южно-Сахалинск, 693008, Россия bogomolov@imgg.ru

Работа посвящена особенностям откликов акустической эмиссии (АЭ), инициированных внешними воздействиями электромагнитных импульсов на полухрупкие и псевдопластичные материалы, находящиеся при одноосном сжатии. Получены новые результаты об откликах АЭ, отражающих ход дефектообразования в горных породах. Предложена новая модель, связывающая генерацию откликов АЭ с нелинейным резонансным взаимодействием, аналогичным вынужденному рассеянию Бриллюэна.

The work is devoted to peculiarities of responses of acoustic emission (AE) induced by external action of electromagnetic pulses over specimens of semi-brittle and pseudo-plastic materials, overburden by uniaxial compression. New results on the responses of AE displaying the process of defects formation in rocks variations have been obtained. The new model has been developed, which explains the origination of AE responses by nonlinear resonant interaction similar to forced Brilluin dispersion.

Ключевые слова: акустическая эмиссии, активность АЭ, микротрещины, электромагнитный импульс, вибрации, напряжение сжатия.

Идея невзрывного, вибросейсмического либо электромагнитного инициирования слабых сейсмических событий для ускорения разрядки избыточных напряжений в геосреде и снижения риска катастрофического землетрясения приобретает все большую популярность. Определенный вклад в решение вопросов, тематически связанных с этим замыслом, может внести лабораторное моделирование процессов разрушения материалов земной коры при дополнительных воздействиях импульсов физических полей (так называемых энерговоздействиях). Влияние физических полей (в частности, электроимпульсов и вибраций) на скорость роста микротрещин в образцах горных пород исследовалось в ряде работ при помощи метода акустической эмиссии, АЭ (обзор в [1]). Был выявлен эффект прироста активности АЭ, стимулированного внешними электромагнитными полями [1,2], который свидетельствует об их влиянии на скорость трещинообразования.

Активность АЭ оказалась весьма информативным параметром, отражающим как сам процесс накопления структурных дефектов в нагруженной среде, так и вариации его скорости под влиянием внешних полей. Но не только удобство расчета и визуализации временных зависимостей АЭ при обработке большого объема данных сделали его основным предметом исследования. Сыграло роль то, что именно по вариациям активности прослеживается аналогия между эффектами отклика АЭ на действие физических полей и наведенной сейсмичности (в том числе инициированной электромагнитными импульсами естественной и техногенной природы). Отметим, что наблюдения влияния нестационарных физических полей на разных масштабах: от лабораторного при характерной длине 1-10 см, до натурного - километрового [2-4] взаимно дополняют друг друга.

Влияние электромагнитных полей (ЭМП) на деформационные процессы определяется их взаимодействием со структурными дефектами в диэлектрических материалах (в частности, в ионных кристаллах). Это обратный эффект по отношению к увеличению ионной проводимости в процессе пластической деформации (эффект Дьюлаи-Хартли) и появлению электрического потенциала на поверхности деформируемых образцов в отсутствие внешнего электрического поля (эффект Степанова). Интерес к подобной тематике проявлялся уже в работах А.Ф. Иоффе, А.В. Степанова, З. Дьюлаи, Д. Хартли, выполненных в 20-х - 30-х годах прошлого века (обзор в [5]). В дальнейшем было отмечено, что проводимость растёт не во всём объёме кристалла, а только в области полос

скольжения, т.е. по месту локализации пластической деформации. Известны также работы, где исследовалось влияние электровоздействий на скорость пластической деформации. Первоначально эффект повышения пластичности в результате облучения ускоренными электронами во время деформации или воздействии импульсным током был обнаружен в кристаллах цинка в 1963 г. Механизм явления сводился к ускоренному движению дислокаций в районе имеющихся и вновь инициируемых источников дислокаций, что и могло быть причиной увеличения пластичности.

В другой серии работ, обобщенных в [6], выполнены исследования влияния электрического и магнитного полей на пластичность и неупругие свойства щелочно-галогенных кристаллов. Показано, что магнитное поле с индукцией выше пороговой и электрическое поле напряженностью порядка 1-10 МВ/м существенно влияют на внутреннее трение и дефект упругих модулей. Взаимосвязь электрических полей, обусловленных поляризацией горных пород, с релаксационными процессами, определяющими выравнивание неоднородностей напряжения, убедительно продемонстрирована в [7]. В этой работе рассмотрен случай образцов без пьезоэлектрических свойств находящихся при относительно небольших нагрузках, меньше половины разрушающих.

Высокая чувствительность метода акустической эмиссии позволила обнаружить отклики нагруженных образцов на импульсы ЭМП с электрической напряженностью существенно меньшей, чем в случае [6]. В данной работе представляются результаты исследований вариаций АЭ образцов различных геоматериалов: гранита, габбро, мрамора, кварцита и каменной соли под воздействием импульсов ЭМП. Представлен материал о влиянии электрических, магнитных полей на кинетику дефектообразования, отражающуюся в режиме акустической эмиссии (АЭ). Дополнительные воздействия импульсными полями осуществлялись в ходе сеансов при испытаниях образцов на ползучесть на бесшумных реологических прессах с максимальным усилием сжатия в 100 тонн. Сигналы акустической эмиссии регистрировались в широком частотном диапазоне от 80 кГц до 2,5 МГц, что позволяло контролировать волновую форму сигналов АЭ.

Рис. 1. Общий вид пружинного пресса УДИ разработки ВНИМИ РАН (а); рычажно-гравитационного пресса УДИ-Л (Ь) и исследуемого образца с токоподводящими

электродами и датчиком АЭ (с).

В предшествующих [2,3] работах установлен эффект кратковременного прироста активности АЭ, стимулированного внешними воздействиями на полухрупкие и псевдопластичные материалы, находящиеся в условиях одноосного сжатия. В настоящей работе продолжено изучение особенностей откликов акустической эмиссии, аналогичные эффектам памяти (задержка, последействие, деградация отклика на повторные воздействия). Определен диапазон значений сжимающих напряжений, в котором имеет место эффект кратковременной активации АЭ, не связанной с образованием макроскопических трещин в образце или сколами на его поверхностях. Показано, что при нагрузках 70-95 % от максимальных (для конкретного образца) отдельно взятый отклик не приводит к изменению деформации свыше 10-5, (т.е. соответствующие изменения размеров образцов меньше микрона). В качестве примера на рис. 2 показаны отклики образцов габбро и каменной соли. При длительном воздействии с использованием в качестве источника генератора Г5-54 амплитуда напряженности электрического поля была в пределах 0,8-1,5 кВ/м, а при импульсных воздействиях конденсаторных разрядов - на порядок выше.

Для поиска механизма, объясняющего чувствительность АЭ к электроимпульсам, особый интерес представляют эксперименты с образцами каменной соли - псевдопластичного материала, в

котором заведомо отсутствуют пьезоэлектрические фракции и пленки водяного пара, существенно влияющие на поведение трещин. Случай рис. 2с демонстрирует, что, во-первых, отклик образца каменной соли не менее контрастен, чем габбро, и, во-вторых, характеризуется режимом пропорционального, самосогласованного прироста активности слабых и сильных событий. При этом слабые события вносят основной вклад в общий прирост числа накопленных событий.

0.8

0.4

0

сШ/Л, 1/с

1, <111 Ф

ЧЛ^ НО.с

\ 3, \

аы/си, 1/с

0.6-

0.4-

0.2-

0 1.8 3.6 5.4 7.2

Рис. 2. Временные зависимости активности АЭ образцов в сессиях с подачей электроимпульсов при постоянной нагрузке: а) образец габбро при нагрузке 92% от разрушающей и длительном воздействии импульсов Г5-54 (параметры - 30В, 2мкс, 90кГц; период электровоздействия показан полосой); Ь) образец габбро на ступени нагружения 98%, стрелками показаны сессии из 10 конденсаторных разрядов с максимальным напряжением 500В, длительностью около 1мкс; с)^) образец каменной соли при нагрузке 70 % от разрушающей. Полоса указывает время воздействия импульсов генератора Г5-54 (60В, 5мкс, 2кГц); d) селективная активность образца каменной соли, рассчитанная по выборкам событий с меньшей (К-— и большей N амплитудами, N0) = ^0) + N 0).

При сравнении результатов, представленных на рис. 2 с материалами предшествующих работ [2,3] обращает на себя внимание на то, что по данным АЭ геоматериалы с различными пьезоэлектрическими свойствами сходным образом реагируют на воздействие электрических полей. Показателен пример сходства откликов образцов каменной соли и рассмотренных в [3] откликов кварцита, а также гранита (пьезоэлектрические модули на несколько порядков меньше, чем у кварцита). Необходимым условием для возникновения отклика на электромагнитные импульсы у материалов без пьезоэлектрических свойств является неоднородность и неизотропность распределения дефектов на стадии дилатантного деформирования. Для объяснения столь нетривиального обстоятельства как сходство реакции различных по физико-химическим и реологическим свойствам материалов, можно предположить, что во всех случаях под влиянием электромагнитных импульсов происходит возбуждение микроколебаний (слабых вибраций), а они уже оказывают триггерное воздействие на рост микротрещин. Действительно, эффект стимулирования АЭ слабыми низкочастотными вибрациями хорошо известен. Работы, в кото

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.

Показать целиком