научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ФЛЮИДНОЙ ИНИЦИАЦИИ РАЗРУШЕНИЯ ПО ДАННЫМ ЛАБОРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ФЛЮИДНОЙ ИНИЦИАЦИИ РАЗРУШЕНИЯ ПО ДАННЫМ ЛАБОРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 2, с. 126-138

УДК 550.34.016

ОСОБЕННОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ФЛЮИДНОЙ ИНИЦИАЦИИ РАЗРУШЕНИЯ ПО ДАННЫМ ЛАБОРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2015 г. М. Г. Потанина1, 2, 3, В. Б. Смирнов1, 2, 3, А .В. Пономарев2, 3, П. Бернар3,

А. А. Любушин2, Ш. П. Шозиёев1

1Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва 2Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 3Парижский институт физики Земли (Institut de Physique du Globe de Paris) E-mail:potanina@physics.msu.ru, vs60@mail.ru Поступила в редакцию 02.10.2014 г.

Представлены результаты анализа данных лабораторного эксперимента по инициации акустической активности в нагруженном образце при обводнении части его поверхности без существенного увеличения порового давления. Эксперимент был проведен на рычажном прессе в Институте физики Земли РАН [Соболев, Пономарев, 2011]. Внесение воды на поверхность образца инициировало возникновение роевой акустической эмиссии, которая, мигрировав в область повышенных напряжений, завершилась образованием макротрещины. Выявлены закономерности возбуждения и релаксации акустической активности при инициации различной природы: "силовое" возбуждение при ступенчатом увеличении нагрузки на начальном этапе эксперимента; возбуждение в результате диффузии жидкости (которое можно связать с уменьшением прочности среды вследствие обводнения); возбуждение, отражающее подготовку образования макротрещины в области наибольших ку-лоновских напряжений; спонтанное возбуждение роевой активности на стадии релаксации акустического режима после возникновения макротрещины. Выявленные особенности временных вариаций параметров акустического режима на стадиях возбуждения и спада акустической активности качественно аналогичны особенностям вариаций параметров сейсмического режима при развитии природных роев, подготовке очагов сильных землетрясений и афтершоковой релаксации. Полученные результаты свидетельствуют, в частности, в пользу гипотезы флюидной инициации невулканических сейсмических роев.

DOI: 10.7868/S0002333715020076

ВВЕДЕНИЕ

Сейсмические рои по своей природе разделяются на вулканические и невулканические. Если природа вулканических роев хорошо изучена, то для невулканических роев вопрос о механизме их возникновения остается открытым. Одной из возможных гипотез является инициация, обусловленная незначительным изменением порового давления в метастабильной среде, вызванным поступлением флюида. Флюидный механизм рассматривается, в частности, для объяснения данных о сейсмических роях в Коринфском заливе [Bernard, 2006; Bourouis, Cornet, 2009; Lambotte et al., 2014]. При этом допускается, что жидкость может проникать в область активных разломов как из глубины, путем внедрения глубинного флюида, так и с поверхности, в результате выпадения осадков (хотя авторы [Lambotte et al., 2014] и оставляют вопрос об источнике флюида открытым).

Возможность влияния на сейсмичность флюида с поверхности Земли подтверждается в ряде работ, проведенных в других регионах. В работах [Hainzl, 2006; Martini, 2009; Matthews, 2009; Richter, 2004] отмечается, что возникновение слабой роевой активности в вулканических областях прямо соответствует выпадению осадков в этой местности. В работе [Saar, Manga, 2003] установлен сезонный характер роевой сейсмической активности г. Худ (Оригон), вызванный сезонными изменениями грунтовых вод из-за осадков. При исследовании вулканической сейсмической активности г. Мерапи (Индонезия) в [Richter, 2004] установлено, что увеличение сейсмической активности напрямую соответствует степени обильности дождей. В работе [Мисо, 1999] предполагается зависимость возникновения сильных землетрясений М > 6 на Балканах от выпадения осадков.

В Институте физики Земли РАН была проведена серия экспериментов по инициации процесса разрушения модельного материала при внесе-

нии жидкости в нагруженный образец без существенного увеличения порового давления [Соболев и др., 2006; Соболев и др., 2010; Соболев, Пономарев, 2011]. В части экспериментов в напряженный образец вода вносилась в заранее пробуренные скважины или в образовавшуюся трещину. В эксперименте 2010-го года, после предварительного нагружения, жидкость вносилась на поверхность образца. Установлено, что во всех случаях внесение жидкости инициирует акустическую эмиссию, причем при внесении воды через скважину события лоцируются только вокруг нее, а при поступлении жидкости с верхней грани образца обнаруживается миграция акустической активности внутрь образца [Соболев и др., 2010; Соболев, Пономарев, 2011].

Возникновение акустической эмиссии после внесения воды на верхнюю грань образца можно соотнести с возникновением природных невулканических сейсмических роев, инициированных поверхностным флюидом. В работе [Потанина и др., 2011; Ро1ашпа й а1., 2010] были выявлены характерные вариации параметров сейсмического режима невулканической роевой активности в Коринфском заливе. В настоящей статье представлены результаты статистического анализа акустического режима, проведенного по аналогии с анализом коринфских роев, по данным указанного выше лабораторного эксперимента 2010-го года.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Лабораторный эксперимент, данные которого используются в работе, подробно описан в [Соболев, Пономарев, 2011]. В эксперименте на рычажном прессе неоднородный бетонный образец (косоугольный параллелепипед: основание — 205 мм, толщина — 85 мм, длина боковой грани — 266 мм, угол наклона — 65°) подвергался длительной одноосной нагрузке в условиях бокового поджатия (опыт длился около четырех месяцев). Вначале нагрузка увеличивалась ступенями, затем, при постоянной нагрузке, резервуар, расположенный на верхней грани модели, был заполнен водой, которая поступала в образец через дно резервуара. Диффузия воды в модель инициировала развитие разрушения, мигрирующего от области под резервуаром к середине образца и приведшего впоследствии к образованию макротрещины [Соболев, Пономарев, 2011]. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Исходные данные были представлены бюллетенями акустических событий, сигналы от которых были зарегистрированы восьмью акустическими датчиками, установленными на поверхности образца. Каждый бюллетень содержит информацию о временах вступлений и максимальных амплитудах электрического сигнала от соответствующего датчика. Объем бюллетеней для разных датчиков

/////// / / / / / I ^ □

Щ Осевая нагрузка

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Стрелки указывают направления действия осевой нагрузки и бокового поджима. На верхней грани образца показан резервуар, который в ходе эксперимента заполняется водой. Кругами нанесены положения датчиков, установленных на передней части образца (1—4, закрашенные круги) и на обратной стороне (5—8, незакрашенные круги).

составляет от 6 до 11 тысяч событий. По аналогии с сейсмическими бюллетенями, для каждого события был введен энергетический класс, равный логарифму квадрата амплитуды электрического сигнала от соответствующего датчика.

Имеющийся каталог с локацией акустических событий по своей детальности, надежности и объему данных позволяет в настоящее время проанализировать только общие тенденции миграции акустической активности [Соболев, Пономарев, 2011]. Для выявления деталей вариаций инициированного акустического режима в настоящей работе основное внимание было уделено анализу бюллетеней отдельных акустических датчиков.

На рис. 2 представлены графики повторяемости акустических событий, построенные по данным бюллетеней. Видно, что представительный класс для всех бюллетеней равен 4.4, и графики повторяемости имеют одинаковый наклон. Это обстоятельство позволяет производить сопостав-

10

10

й

3

ю

ё 102

[3

о

о ¡^

и

4

о ,

Ы 101

4 г-

100 г

5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 Энергетический класс

Рис. 2. Распределения количества событий по энергетическим классам, построенные по бюллетеням акустических событий. Цифрами обозначены номера датчиков.

ление и совместный анализ данных бюллетеней для разных датчиков. Оценка представительного класса каталога лоцированных акустических событий, произведенная по методике, описанной в работах [Смирнов, 1997; Смирнов, 2009], оказалась равной 4.5.

На рис. 3 представлена история нагружения образца. На первом этапе эксперимента нагрузка на образец увеличивалась последовательными ступенями. Будем называть каждую такую ступень, а также вызванную ею акустическую активность серией (номера серий подписаны на рис. 3). Каждая новая серия нагружения осуществлялась после релаксации акустической активности предыдущей серии.

Через неделю после последней ступени нагружения (седьмая серия), когда акустическая эмиссия вышла на устойчивое фоновое значение, начался второй этап эксперимента — заполнение водой резервуара, расположенного на верхней грани образца. Заполнение осуществлялось без увеличения давления жидкости, этапами, так, что в течение 2-х суток поддерживался уровень воды, не допускающий осушения верхней грани образца под резервуаром. Затем добавление воды было прекращено. Общий объем воды, поступивший в образец через дно резервуара, составил 70 мл.

Через 25.419 ч после начала заполнения резервуара водой в образце образовалась макротрещина, видимая на боковой поверхности образца. А через 3 ч после образования макротрещины в образце спонтанно возник рой акустических событий.

Таким образом, эксперимент позволяет рассмотреть четыре типа возбуждения акустической активности: "силовое" возбуждение на этапе ступенчатого увеличения нагрузки сухого образца; возбуждение вблизи резервуара в результате диффузии жидкости; возбуждение, отражающее подготовку и образование макротрещины; спонтанное возбуждение на стадии релаксации акустического режима после возникновения макротрещины.

РЕЗУЛЬТАТЫ Стадия I: "силовая" инициация

Анализ изменения скорости акустической эмиссии во времени для семи "силовых" серий нагружения (отмеченных на рис. 3) свидетельствует, что резкое ступенчатое увеличение приложенной к образцу нагрузки вызывает акустическую эмиссию, схожую с афтершоковыми последовательностями.

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»