УДК 550.348.433+550.34.016
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПО ДАННЫМ ЛАБОРАТОРНОГО И НАТУРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
© 2010 г. В. Б. Смирнов1, 2, А. В. Пономарев1, П. Бернар3, А. В. Патонин4
1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2 Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова 3 Парижский институт физики Земли (Institut de Physique du Globe de Paris) 4Геофизическая обсерватория "Борок" института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва
Поступила в редакцию 21.09.2009 г.
На основе серии лабораторных экспериментов выявлены закономерности возбуждения и релаксации процесса разрушения в горных породах; аналогичные закономерности выявлены в натурных условиях; предложена физическая идея и ее математическая иллюстрация, объясняющая полученные экспериментальные результаты.Целью экспериментов было выявление характера возбуждения процесса разрушения, инициированного внешним воздействием, и его релаксации при прекращении воздействия в зависимости от уровня действующих напряжений. При различной скорости нарастания ступеньки инициирующей деформации акустический отклик, отражающий процесс развития разрушения, проявляется по-разному. При больших скоростях деформации наблюдался процесс, схожий с афтершоковыми последовательностями, при меньших — с сейсмическими роями. Характер и параметры акустической активности закономерно изменяются с увеличением действующих напряжений. В случае роеподобной активности время максимума активности (и, соответственно, момент начала спада активности) увеличивается с увеличением действующих напряжений. В случае афтершокоподобной активности от уровня приложенных напряжений зависят параметры закона Омори. Величина, характеризующая длительность задержки начала степенного спада активности увеличивается с ростом уровня нагрузки (подобно увеличению времени до начала спада роеподобной активности). Аналогичные закономерности выявлены в натурных условиях по данным эксперимента по разрушению среды, вызванному закачкой воды в скважину (Сультц-су-Форе, Франция). Для объяснения полученных экспериментальных результатов выдвинута гипотеза о конкуренции процессов возбуждения и релаксации. Соответствующее математическое моделирование подтвердило действенность этой гипотезы.
Многочисленные работы по анализу сейсмического режима выявили несколько принципиальных проблем, одной из которых является недостаточная изученность физики переходных режимов как проявления общей динамики сейсмичности в ответ на различные возбуждающие факторы. Сейсмический процесс охвачен действием различного рода обратных связей, формирующих и регулирующих эволюцию сейсмичности. Выявить и изучить эти связи в стационарном режиме трудно, поскольку фоновые вариации сейсмичности невелики, а природа их обычно плохо известна. Переходный режим сейсмического процесса является откликом геофизической среды на воздействия различного происхождения, выводящие ее из стационарного состояния. Выявление закономерностей переходного режима дает возможность прояснить характер и особенности тех ключевых свойств среды и действующих в ней физических механизмов, которые управляют динамикой сейсмичности.
Исследование переходных режимов выигрышно в методическом отношении тем, что сближает геофизическое исследование с физическим экспериментом, который подразумевает контролируемость условий и повторяемость опытов. В случае переходных режимов мы имеем представление об источнике возмущения и можем оценивать повторяемость природных опытов.
В качестве динамической модели формирования реальных очагов землетрясений может рассматриваться зарождение и эволюция макроразрыва в масштабе лабораторных экспериментов, что позволяет перейти к моделированию сейсмического режима. Эксперименты в этом направлении успешно реализуются несколькими группами исследователей [Ymagidani et al., 1985; Lockner et al., 1992; Yukutake, 1992; Lei et al., 1992; Lockner, 1993; Moore, Lockner, 1995; Lei et al., 2000; Zang etal., 2000; Thompson, 2006; Fortin, 2006].
Целью наших экспериментов было выявление характера разрушения, инициированного внешним воздействием, его релаксации при прекращении воздействия и выяснение зависимости этих процессов от уровня действующих напряжений. Эксперименты были проведены в Геофизической обсерватории "Борок" ИФЗ РАН. Для анализа привлекались также данные уникальных экспериментов на Большом прессе ИФВД РАН по разрушению крупных блоков горных пород [Семерчан и др., 1981; Соболев, Кольцов, 1988] и данные натурного эксперимента на европейском полигоне в Сультс-су-Фо-ре [Cornet et al., 1997; Evans et al., 2005; Evans, 2005a; 2005c; Gerard et al., 2006]. Полученные в экспериментах результаты иллюстрируются математической моделью.
ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Исследования проводились при одноосном на-гружении, в том числе, в условиях всестороннего сжатия. Характерные размеры образцов варьировали от первых сантиметров до 1 метра. Были использованы образцы песчаников и известняка. Характеристики образцов и режимов инициирования разрушения приведены в таблице. Названия опытов, обсуждаемых в статье, соответствуют названиям образцов. Приведенные в таблице скорости упругих волн, измерялись до начала экспериментов; открытая пористость определялась методом насыщения водой в вакуумной камере.
Первая серия опытов выполнена на программно-управляемом геофизическом комплексе с двухкамерным электрогидравлическим прессом IN0VA-1000. Максимальная нагрузка, развиваемая системой составляет 1000 кН, максимальное перемещение подвижного пуансона — 100 мм, рабочая зона — 300 х 300 х 800 мм. Система контроля и управления реализована на основе программируемого регулятора с обратной связью; точность управления по нагрузке до 5 Н, точность удержания положения пуансона пресса ±0.05 мкм, точность управления по перемещению менее 0.17 мкм. Перемещение пуансонов осуществляется дискретными шагами с минимальным шагом 0.24 мкм. Программа управления реализует следующие основные режимы работы: на-гружение с постоянной скоростью деформирования и возможным изменением скорости в ходе эксперимента, режим паузы (удержание постоянного напряжения), дополнительная гармоническая модуляция осевого давления и режим управления скоростью на-гружения с обратной связью по акустической активности. Измерения осевой нагрузки, перемещения пуансона и других механических параметров осуществляется с дискретностью 1 с.
Всестороннее сжатие до 200 МПа создается давлением масла в камере высокого давления. Цилиндрические образцы песчаника диаметром 30 мм и длиной 60 мм монтируются в специальной изме-
рительной ячейке, снабженной датчиками осевой нагрузки, радиальной деформации и пьезоэлектрическими приемниками акустических сигналов. При измерениях в камере образцы герметизируются медным и пластиковым жакетами.
Для регистрации акустической эмиссии (АЭ) используются две независимые системы регистрации. Первая система представляет собой многоканальную станцию регистрации волновых форм. Сигналы АЭ поступают на 8 резонансных (375 кГц) пьезоэлектрических приемных датчиков, далее усиливаются предварительными усилителями и оцифровываются с частотой 5 МГц на канал.
В процессе нагружения регулярно выполняются ультразвуковые зондирования образца по нескольким трассам для вычисления скоростей упругих волн, используемых для расчета координат акустических импульсов. Ошибки при выделении первого вступления упругих волн колеблются в пределах долей микросекунд, что приводит к ошибкам определения координат в пределах 1—1.5 мм. В методе расчета координат используется итерационная процедура минимизации невязок между расчетными данными и моментами вступлений по результатам инструментальных измерений.
Система регистрации волновых форм имеет ряд ограничений, обусловленных непостоянным контактом датчиков с образцом, поэтому не всегда удается правильно оценить энергию зарегистрированных сигналов и количество лоцированных событий. Для более точных оценок энергии и числа акустических импульсов применяется одноканальная система непрерывной записи акустического потока. Такой подход реализуется в последнее время, чтобы исключить ограничения, связанные с триггерным (пороговым) методом обнаружения сигналов [Thompson et al., 2006]. В качестве приемника эта система использует пьезоэлектрический датчик с резонансной частотой 290 кГц, установленный в нижнем пуансоне пресса. Акустический контакт датчика с образцом создается самой осевой нагрузкой. Это позволяет получить надежный и стабильный акустический контакт с нижним основанием образца в течение всего времени испытания, включая заключительную стадию разрушения. Усиленный сигнал непрерывно оцифровывается с частотой 1 МГц. Предварительная обработка включает агрегацию данных и вычисление эффективной амплитуды на интервале 96 мкс.
Дальнейшая обработка, целью которой является извлечение отдельных сигналов АЭ, строится на основе автоматического адаптивного детектирования сигналов по пороговому критерию. Система позволяет обработать поток сигналов с интенсивностью до 2400 событий в секунду. По результатам обработки составляется каталог событий, включающий в себя время события и его энергетическую оценку. В настоящей работе для анализа использовались именно эти данные.
Характеристики образцов и режимов инициирования
© К
GJ
К
Параметры образца Характеристики режима инициирования Каталог
Образец Материал Размер, мм Плотность, г/см3 Пористость, % Скорость продольных волн, км/с Скорость поперечных волн, км/с Скорость нарастания ступеньки деформации или усилия Величина ступеньки деформации или усилия Длительность интервалов нарастания/выдержки Всестороннее сжатие, МПа Полное количество событий
А42 2.16 14.6 2.20 1.78 не менее 3.25 х 10~4 (не бол. 0.1)/1250 с нет 115085
Зх 10"3 1/с
А52 Песчан-ник 0 30, длина 60 2.14 14.6 2.32 1.75 2.0 х 10"5 1/с 4.07 х 10"4 20/(80-460) с нет 246207
А62 2.51 4.5 4.37 2.87 2.0 х 10"6 1/с 4.07 х 10"4 200/400 с нет 438355
SS40 2.24 21.3 2.54 1.59 4.0 х 10"6 1/с 8.14 х 10~4 200/400 с 40 2548533
SS70 2.25 21.9 2.5
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.