ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 10, с. 48-63
УДК 550.34.01
ДИНАМИКА РАЗРУШЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ ТРИГГЕРНОМ ВЛИЯНИИ ЖИДКОСТИ
© 2011 г. Г. А. Соболев, А. В. Пономарев
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 01.12.2010 г.
На моделях неоднородной геологической среды выполнены лабораторные эксперименты, в которых изучался эффект влияния небольшого по отношению к поровому пространству количества воды на динамику развития макроразрыва. Рассматривались вариации предшествующей макроразрыву акустической эмиссии, в том числе с точки зрения выявления предвестников. Во всех экспериментах макроразрушение происходило не сразу после механической подгрузки или вливания воды, а после акустического затишья и последующей активизации. Активизация перед макроразрушением удовлетворительно описывалась экспоненциальным законом; корреляция между реальным числом событий (или выделяемой при этом энергией) и аппроксимирующей экспонентой превышала 95% доверительный интервал. Несколько хуже, но также значимо, процесс активизации соответствовал степенному закону. Факты последовательного появления затишья и активизации свидетельствуют о принципиальной предсказуемости макроразрушения по этим признакам.
ВВЕДЕНИЕ
Роль воды в усилении сейсмичности исследовалась в разнообразной сейсмотектонической обстановке, в том числе при заполнении водохранилищ [Гидродинамические..., 1984; Simpson et al., 1988; Мирзоев и др., 1988; Соболев, 1993; Gupta, 2005]. Физический механизм связывался, главным образом, с повышением внутрипорового давления и соответствующим уменьшением эффективного давления пород в рамках модифицированного закона Кулона-Мора [Brace, Martin, 1968]. Основополагающее значение этого эффекта заложено в дила-тантно-диффузную (ДД) модель подготовки землетрясений [Scholz et al., 1973]. Сделаны количественные оценки условий проявления эффекта в зависимости от величины литостатического и гидростатического давления, температуры и проницаемости горных пород [Miller et al., 1999]. Обзор возможных механизмов наведенной сейсмичности представлен в специальном выпуске Pure Appl. Geo-phys. [Trifu (ed.), 2002]. В работе [Смирнов, 1994] исследовались фрактальные свойства наведенной влиянием воды сейсмичности. Эффекты связи (фазовой синхронизации) локальной сейсмической активности и малых изменений уровня воды в водохранилище выявлены в работе [Peinke et al., 2006]. Отметим, что на вариации потока относительно слабых землетрясений влияет также незначительное изменение порового давления. В работе [Djadkov, 1997] показано, что сейсмичность в прилегающей к Байкалу зоне зависит от сезонных вариаций уровня озера, которые меняют поровое давление в диапазоне миллибар.
Однако остается слабо изученным вопрос о пространственно-временных особенностях развития сейсмичности перед конкретным землетрясением в области его очага с учетом влияния присутствующей в геологической среде жидкости. Известны немногочисленные работы индийских сейсмологов применительно к некоторым землетрясениям района водохранилищ Койна-Варна [Pandey, Chadha, 2003; Singh et al., 2008]. Исследовать это явление в естественных условиях сейсмоактивного района затруднительно, так как не известна степень насыщения области будущего очага жидкостью на глубинах в несколько десятков километров. В настоящей работе авторы провели лабораторные эксперименты, в которых изучался эффект влияния небольшого по отношению к поровому пространству количества воды на динамику развития макроразрыва. Рассматривались вариации предшествующей макроразрыву акустической эмиссии, в том числе с точки зрения выявления предвестников.
МЕТОДИКА И АППАРАТУРА
Эксперименты выполнены на моделях, приготовленных из базальтового песка, известнякового щебня и цемента. Форма моделей — косоугольный параллелепипед: основание — 205 мм, толщина — 85 мм, длина боковой грани — 266 мм. Угол наклона длинной боковой грани к основанию — 65°. Модели состояли из 3-х одинаковых по размеру слоев, параллельных косым граням. Два боковых слоя обладали большей прочностью по сравнению с центральным, поскольку при их изготовлении использовался цемент марки 400, в то время как в центральном слое связующим компонентом был це-
Рис. 1. Общий вид модели в прессе.
мент марки 50. В центральный слой был добавлен щебень размером от 2 до 20 мм. Это приводило к неоднородной структуре моделей.
Эксперименты выполнялись в условиях двухосного сжатия. Боковая нагрузка на модель, перпендикулярная косым граням, держалась пружинами постоянной на протяжении всех экспериментов на уровне 4-х тонн. Вертикальная нагрузка увеличивалась ступенчато подвешиванием грузов к плечу рычажного пресса, позволяющего держать заданную нагрузку в течение длительного времени. Общий вид модели в прессе показан на рис. 1. Прием сигналов акустической эмиссии (АЭ) осуществлялся из-
мерительным комплексом A-Line32D (производство фирмы "ИНТЕРЮНИС"), который является цифровой многоканальной системой сбора и обработки акусто-эмиссионной и служебной информации, получаемой с исследуемого объекта от акустических и иных датчиков. Комплекс работает в операционной среде WINDOWS и позволяет проводить акусто-эмиссионные измерения в режиме реального времени. В описываемых ниже экспериментах сигналы акустической эмиссии принимались 8-ю идентичными пьезоэлектрическими датчиками GT-200, по четыре на двух больших гранях модели. Динамический диапазон каналов — 92 дБ; частота
мм 250
200
150
100
50
100
200
300
400
X, мм
Рис. 2. Схема модели со стороны лицевой грани. Стрелки обозначают направления вертикальной и боковой нагрузки. Кружки — эпицентры источников акустических сигналов. Звездочки — эпицентры больших акустических сигналов на стадии развития очага макроразрушения.
0
дискретизации — 5 МГц; полоса пропускания — от 30 до 500 КГц. Точность локации гипоцентров акустических сигналов была меньше 3-х см. Во время экспериментов помимо АЭ регистрировались с дискретностью 10 секунд вертикальная нагрузка и укорочение модели.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В наших предыдущих работах было установлено, что вливание небольшого по отношению к объему деформируемой модели (менее 0.1%) количества воды приводило к резкому возрастанию акустической эмиссии [Соболев и др., 2006; Соболев и др., 2010]. Ниже будут сопоставлены основные черты динамики акустической эмиссии при инициировании ее водой в тех 4-х экспериментах, которые были доведены до макроразрушения моделей.
Эксперимент А
Эксперимент начался 18 января 2010 года и продолжался 4 месяца. Вертикальная нагрузка увеличивалась последовательными ступенями. В среднем, при каждой последующей ступеньке нагрузка возрастала на 1т (»0.05 от разрушающей); при этом регистрировалась вызванная пригрузкой акустическая эмиссия. За начало координат при расчете гипоцентров сигналов АЭ принята точка левого нижнего угла на лицевой грани модели. Ось х направлена вправо, ось г — вверх, ось у — перпендикулярно лицевой грани.
На верхней грани модели (рис. 2) помещался резервуар размером 88 х 63 х 10 мм для наполнения водой; дном резервуара служила непосредственно верхняя грань модели. После того, как в модели появилась устойчивая АЭ (спустя 64 сут после начала нагружения), в резервуар было налито 70 мл воды. Первые сигналы, местоположение источников ко-
II
III
3
N 40
20 -
Дб 80
60
40
20
10
20
30 часы
10
20
30 часы
Рис. 3. Эксперимент А: 1 — последовательность акустических сигналов, по оси ординат — их амплитуда в дБ; 2 — сумма количества акустических сигналов в окне 1 ч, стрелки разделяют стадии первичной активизации I, затишья II, вторичной активизации III; 3 — эпицентры акустических сигналов на лицевувю грань на стадиях I, II, III.
торых удалось вычислить, появились через 1 минуту после вливания воды (рис. 3а). Их амплитуда составила 42 и 43 дБ и была на минимуме порога чувствительности; координаты гипоцентров х, у, z равнялись 219, 20, 192 мм и 215, 23, 174 мм. Это указывало на то, что источники находились под дном резервуара (левая диаграмма рис. 3б) и внутри модели.
Далее активность акустической эмиссии постепенно возрастала в течение 2-х часов, что проде-
монстрировано на рис. 3б. Отсчет времени на рис. 3 ведется с момента вливания воды в резервуар; учитывались только те акустические сигналы, гипоцентры которых удалось лоцировать. Затем, несмотря на наличие воды в резервуаре, АЭ стала постепенно спадать, достигнув минимума через 12.8 ч после заливки воды (рис. 3б). Начиная с этого времени, активизация возрастала вплоть до появления серии больших сигналов, указывавших на на-
0
1
0
мм
100 г
0 10 20 30 40 50
мм 100 Г
0 10 20 30 40 50
часы
Рис. 4. Местоположение источников акустических сигналов вдоль осей х(1), г(2), у(3).
чало макроразрушения. Первый из них № 519 появился через 25.238 ч (координаты гипоцентра: 168, 59, 88 мм, амплитуда 75 дБ). В 25.428 ч возник сигнал №975 с амплитудой 89 дБ (координаты: 166, 63, 151 мм), вызванный, по-видимому, образованием макротрещины (на рис. 3а не показан).
По мере проникновения воды в модель, происходила миграция АЭ, что видно на диаграммах рис. 3в. Левая из них соответствует интервалу времени 0—
2.8 часа; центральная — интервалу 7.6—19.1 часа; правая — интервалу 19.2—25.24 часа. На рис. 4 демонстрируется миграция источников сигналов вдоль координатных осей. По осям х и г (графики 1, 2) миграция шла из области под резервуаром к центру модели. По толщине модели (график 3) происходило постепенное смещение от лицевой грани к удаленной, хотя основная масса источников сигналов находилась все время внутри модели. На рис. 4 хоро-
мм 60 г
50 -
40
30 -
20
0 мм 180
160 -
140 "
120
100
0 мм 240 г
220 -
200
180 "
160
10
15
20
25
10
15
20
25
10
15
20
25 часы
Рис. 5. Миграция центра облака акустических сигналов вдоль осей х(1), г(2), у(3).
шо просматривается время начала макроразрушения (~25 часов), когда количество сигналов и разброс их источников по всем осям резко возросли. После этого времени миграция не обнаруживается; прослеживаются 2 цепочки местоположения источни
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.