авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН ...»

-- [ Страница 2 ] --

с частотами выше 40Гц, что не позволило провести анализ данных в этой частотной области. Частоты ниже 15 Гц также ис ключены из рассмотрения, поскольку гео фоны имеют резонанс на этой частоте, а на более низких частотах их чувствитель ность уменьшается пропорционально квадрату частоты, дополнительно ограни чиваясь входными фильтрами сейсмостан ции ниже частоты 5 Гц. Закрашенные се рым цветом области показывают результа Рис. 3. Частотные зависимости скорости волны Рэлея (слева) и ты измерений для десяти последователь ных ударов молота по площадке. Пунктир отношения амплитуд проекций смещения (справа) - экспери мент 2009 г. ной линией показаны экспериментальные данные, полученные при возбуждении поверхностных волн шумовым источником. Данные для отношения проекций смещений в этом случае не приводятся, поскольку соотношение сигнал/шум оказалось низким, и данные имеют большую дисперсию.

Таблица 1. Параметры слоистой среды (глубина расположения границы раздела слоев, скорости объемных волны в слоях и отвечающий им коэффициент Пуассона), полученные в результате инверсии дан ных 2009 и 2011 гг.

Данные 2011 года (импульсный источник) Данные 2009 года (вибрационный источник) № слоя VS(м/с) № слоя VS(м/с) z (м) VP (м/с) z (м) VP (м/с) 1 - 279 86 0.44 1 - 171 105 0. 2 0.5 315 106 0.43 2 0.4 264 166 0. 3 0.8 216 148 0. 4 1.3 285 201 5 2.3 258 183 6 4.1 379 222 0. На рис. 3 представлены измеренные и вычисленные частотные зависимости фазовой скорости волны Рэлея и отношения амплитуд проекций Ux/Uz при использовании вибрационного источника, возбу ждаемого линейно-модулированным по частоте сигналом. Отмеченная серым цветом область показывает разброс данных при анализе скорости волны Рэлея отдельно для каждой из проекций смещения. Симво лами на рис. 3, справа показаны измеренные величины отношения амплитуд проекций смещения. Полоса частот излучения составляла 50-500 Гц (более низкие частоты излучать не получилось из-за наличия резо нанса вибратора в окрестности 20 Гц). При этом частоты выше 200-250 Гц сильно затухали, по-видимому, из-за рассеяния на локальных неоднородностях среды (трава, кустарники и корни деревьев), и поэтому дисперсионные зависимости для этих частот не приводятся. Также не приводятся величины отношения проекций смещения на частотах выше 125 Гц, поскольку они имели большую дисперсию. Поскольку дан ные, показанные на рис. 2 и рис. 3, отвечают измерениям, проведенным в разное время, мы не стали их объединять на одном рисунке в полосе частот 15-250 Гц. Тем не менее, можно заметить, что данные на рис. 3 являются как бы продолжением данных, представленных на рис. 2.

Сплошные черные линии на рис. 2 и рис. 3 показывают расчетные величины для параметров сре ды, отвечающих решению обратной задачи. Сами найденные параметры приведены в таблице 1. Глубина XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика проникновения волны Рэлея приблизительно равна половине длине волны. При средней по слоям скоро сти 147м/сдля данных 2011 года волна Рэлея проникает на глубины от 5 до 1.5 метров в полосе частот 15 45 Гц. Для данных 2009 года средняя скорость волны Рэлея составляет 124м/с, а глубина проникновения в полосе частот от 50 до 250 Гц составляет от 1.2 метра до 25 см. Глубины проникновения волны Рэлея при близительно одинаковы для граничных частот в 2009 и 2011 гг., что позволяет провести их сравнение.

К сожалению, из-за невозможности работы вибратора на более низких, чем 50 Гц частотах, не удалось проследить границы глубже 1 метра. Тем не менее, как нетрудно видеть из таблицы 1, положение границы раздела слоев №1 и №2 практически одинаково для данных 2009 и 2011 годов. Интересно отме тить, большую величину скорости волны сдвига (сдвиговой жесткости) и меньшую величину коэффици ента Пуассона для слоев №1 и №2 в эксперименте 2009 года по сравнению с экспериментом 2011 го да.Эксперимент 2009 года проводился в жаркое и сухое летнее время (начало июля). В этом случае можно предположить, что из-за испарения жидкости из пространства пор произошло образование капиллярных менисков в месте контакта зерен песка и, как следствие, зерна оказались сильнее прижаты друг к другу капиллярными силами (см., например, [10]). Сдвиговая жесткость и прочность среды на глубинах до 0.5- метра увеличилась, а коэффициент Пуассона наоборот уменьшился. Эксперимент 2011 года проводился в 11-12 октября. В это время в месте проведения измерений осадков не наблюдалось, но земля была пропи тана влагой от прошедших ранее дождей. Верхняя часть грунта содержит значительное количество частиц глины, которые набухает при насыщении водой. При этом происходит ослабление связей между зернами и уменьшение модуля сдвига. Скорость продольной волны увеличивается, поскольку объемная жесткость воды существенно превышает объемную жесткость гранулированной среды. Как следствие, коэффициент Пуассона увеличивается.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы. Предложенный метод анализа показал свою ра ботоспособность. Наряду с профилем скорости волны сдвига удается восстановить профиль коэффициен та Пуассона, что, с одной стороны, снимает неоднозначность инверсии в методе спектрального анализа поверхностных волн, а, с другой, - открывает новые возможности для мониторинга и диагностики при родных сред в условиях их естественного залегания.

Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ №11-05-00774, 11-02-01419, 11-05 97031 и программы ОФН РАН «Когерентные акустические поля и сигналы».

ЛИТЕРАТУРА Шерифф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка, М.: Мир, 1987.

1.

Хаттон Л., Уэрдингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных, теория и практика. М.: Мир, 2.

1989.

3. Бондарев В.И. Основы сейсморазведки. Екатеринбург: УГГГА. 2003.

4. Stokoe K.H., Rix G.R., Nazarian S. In situ seismic testing of surface waves / Proc. of 12th Int. Conf. Soil Mech. and Found. Engng., Rio de Janeiro, 1989. V. 1, P. 331-334.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука. 1987.

6. Maraschini M. A new approach for the inversion of Rayleigh and Scholte waves in site characterization // Ph.D.

thesis, Torino polytechnic university, 2008.

7. Winkler K.W., Murphy III W.F. Acoustic Velocity and Attenuation in Porous Rocks // Rock Physics and Phase Re lations. A Handbook of Physical Constants. T.J. Ahrens, Editor. AGU Reference Shelf 3. P. 20–34. American Geo physical Union,1995.

8. Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. Мир. Москва. 1983.

9. Mavko G., Mukeji T., Dvorkin J. The rock physics handbook: tools for seismic analysis in porous media. Cam bridge Univ., Cambridge, MA, 1998.

10. Averbakh V.S., Bredikhin V.V., Lebedev A.V., Manakov S.A. Acoustic spectroscopy of fluid saturation effects in carbonate rock. // Acoustical Physics. 2010. V. 56. № 6. P. 794-806.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика УДК 622: П.В. Николенко ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА КАЙЗЕРА В НЕКОТОРЫХ КОМ ПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Россия, 119991, Москва, Лененский проспект Тел.: (495) 236-95-93;

факс (495) 237-31-63;

E-mail: ftkp@mail.ru Рассмотрены различные параметры проявления эффекта Кайзера в таких композиционных материалах как текстолит и эпоксидная смола с кварцевым заполнителем. Исследованы длительность акустико-эмиссионной «памяти» в указанных материалах, влияние направления приложения нагрузки в первом и втором циклах на гружения, а также дана оценка влияния крупности и концентрации кварцевого заполнителя в эпоксидной смо ле на качество проявления эффекта Кайзера ВВЕДЕНИЕ Акустико-эмиссионный эффект памяти, также известный как эффект Кайзера (ЭК), наблюдается при циклическом нагружении различных твердых тел. Суть эффекта состоит в невоспроизводимости ак тивности акустической эмиссии (АЭ) в процессе циклического нагружения при напряжениях, меньших максимально достигнутого ранее значения напряжения [1]. Акустико-эмиссионный эффект памяти был открыт Й. Кайзером в начале 50-х при испытании образцов металла, древесины и песчаника [2], исследо вания этого эффекта ведутся и по сей день. На данный момент накоплен достаточно большой объем экс периментальных данных о свойствах и закономерностях проявления ЭК в различных конструкционных и композитных материалах, а также в разнообразных горных породах. Одновременно с этим были предло жены и обоснованы теоретические модели формирования и проявления эффекта, разработаны методики его практического применения [1].

На сегодняшний день большой интерес представляет исследование эффекта Кайзера в разнообраз ных композитных материалах, обусловленный постоянством их физико-механических свойств и, как следствие, высокой степенью повторяемости результатов измерений.

Как известно, композитные материалы это материалы, представляющие собой гетерогенные, термо динамически неравновесные системы, состоящие из двух или более компонентов, отличающихся по хим.

составу, физико-механическим свойствам и разделённых в материале чётко выраженной границей, каж дый из компонентов вводится в состав композитного материала, чтобы придать ему требуемые свойства, которыми не обладает каждый из компонентов в отдельности [3]. К композитным материалам относят как широко известные текстолит и стеклотекстолит, так и весьма специфические материалы на основе эпок сидной смолы с различными заполнителями. Все эти материалы характеризуются высокой механической прочностью, однородностью физико-механических свойств, легкостью обработки. Отдельно хотелось бы отметить, что закономерности проявления ЭК в материалах на основе эпоксидной смолы с заполнителем из кварцевого песка при одноосном сжатии ранее не исследовались, при этом наиболее близкими можно считать исследования акустико-эмиссионного эффекта памяти в образцах бетона [4].

Цель настоящей работы – исследование закономерностей проявления эффекта Кайзера в текстолите и эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем в зависимости от длительности промежутка времени меж ду циклами нагружения, направлением приложения нагрузки, а также в зависимости от концентрации и крупности заполнителя в эпоксидной смоле.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ 1.

В рамках данного исследования было проведено три серии лабораторных исследований по одноос ному сжатию вдоль диаметра однотипных образцов текстолита марки ПТК и эпоксидной смолы с кварце вым заполнителем. В качестве образцов выступали диски, изготовленные из вышеуказанных материалов диаметром 45мм и толщиной 10мм. Регистрация параметров акустической эмиссии проводилась с исполь зованием акустико-эмиссионного измерительного комплекса A-Line 32D, в качестве испытательного прес са выступал Instron 300DX производства американской компании Instron®.

Регистрация акустической эмиссии велась в частотном диапазоне 50 – 450 кГц, основными измеряемыми • параметрами выступали скорость счета акустической эмиссии N, суммарный счет акустической эмиссии N и осевое напряжение 1. Регистрация осевой нагрузки проводилась с использованием тензодинамо метра.

Первая серия экспериментов проводилась с целью определения «длительности памяти» в указанных материалах, т.е. максимального промежутка времени между циклами нагружения, при котором во втором (тестовом) цикле нагружения еще наблюдается эффект Кайзера. Образцы подвергались двухцикловому XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика нагружению со значениями напряжений 1 1. При этом длительность выдержки и максимум нагрузки II I при первом (установочном) цикле, а также скорость нагружения оставались постоянными. Основным кри • терием проявления ЭК в исследуемом образце считалось скачкообразное возрастание счета АЭ N, а так же резкое изменение крутизны графика суммарного счета АЭ N при достижении тестовой нагрузки, рав ной максимуму нагрузки установочного цикла.

Вторая серия экспериментов проводилась для определения закономерностей проявления эффекта Кайзера в зависимости от направления приложения нагрузки в установочном и тестовом циклах. Образцы, так же как и в первом случае подвергались двухцикловомунагружению со значениями напряжений 1II 1I. При этом направление нагружения, максимум нагрузки и длительность выдержки под нагрузкой в установочном цикле оставались постоянными, а в тестовом цикле каждый последующий образец повора чивался вдоль своей оси на некоторый угол = 15.

Третья серия экспериментов проводилась с целью определения параметров проявления ЭК в образ цах из эпоксидной смолы с заполнителем из кварцевого песка в зависимости от его крупности и концен трации. Концентрация изменялась от 1/5 до 2/5, крупность от -0.2мм.до 0.2 – 0.45мм. Скорость нагруже ния, максимальная нагрузка установочного цикла и направление приложения нагрузки оставались посто янными.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 2.

• На рис. 1 представлена типичная зависимость скорости счета АЭ N (рис. 1,а) и суммарного счета АЭ N (рис. 1,б) от нагрузки во втором цикле нагружения. Пример представлен для эпоксидной смолы с кварцевым наполнителем при промежутке времени между циклами нагружения, равного 7 суткам. Пунк тирной линией отмечен максимальный уровень нагрузки первого цикла нагружения.

• Рис.1. Зависимости N (1) (а) и N (1) при нагружении образцов эпоксидной смолы с кварцевым заполните лем (пунктиром отмечен максимум нагрузки первого цикла) Из рис. 1 отчетливо видно, что даже при недельном промежутке времени между циклами нагруже ния в исследуемом материале отчетливо прослеживается эффект Кайзера, выражаемый в скачкообразном увеличении скорости счета АЭ (рис. 1,а) и резком изменении крутизны графика суммарного счета АЭ (рис. 1,б) при достижении осевой нагрузки в тестовом цикле, равной максимуму нагрузки установочного цикла. Аналогичная картина наблюдается и при проявлении эффекта Кайзера в образцах текстолита.

В рамках первой серии испытаний образцы текстолита и эпоксидной смолы с кварцевым заполни телем были поделены на три группы, которым соответствовали промежутки времени между циклами на гружения в 1 час, 1 сутки и 7 суток. После завершения серии экспериментов для каждой из групп рассчи тывалась относительная погрешность воспроизведения ЭК и так называемый показатель сохранности па мяти FR, представляющий собой отношение напряжения, при котором возобновляется эмиссия, кране достигнутому максимальному напряжению [1]. Результаты расчетов представлены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что относительная погрешность воспроизведения эффекта Кайзера в исследуемых материалах со временем изменяется незначительно, что дает право с уверенностью утверждать, что аку стико-эмиссионная «память» в данных материалах сохраняется на протяжении не менее одной недели.

Следующая серия экспериментов проводилась с целью установления закономерностей проявления эффек та Кайзера в зависимости от направления приложения осевой нагрузки.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Табл.1. Результаты измерений на длительность «сохранности памяти»

Вид материала Промежуток времени FR, ед. Относительная погрешность между циклами нагру- воспроизведения ЭК, % жения Эпоксидная 1 час 1,036 3, смола 1 сутки 1,090 8, 7 суток 1,044 4, Текстолит 1 час 1,049 4, ПТК 1 сутки 1,060 6, 7 суток 1,094 9. В эксперименте участвовали две серии из 5 образцов, изготовленных из текстолита и эпоксидной смолы с кварцевым заполнителем. Исследуемые образцы подвергались одноосному сжатию вдоль нане сенного на боковые поверхности образцов маркера вертикали в установочном цикле нагружения. Время выдержки под нагрузкой и ее значение оставались постоянными и равнялись t = 2 часам и 1I = 55 МПа соответственно. Далее образцы подвергались тестовым испытаниям, причем каждый последующий обра зец поворачивался в пуансонах с шагом = 15 относительно вертикального маркера. Основным информа тивным критерием качества проявления ЭК в данном случае выступал угол между аппроксимирующими ветви графика суммарного счета АЭ прямыми. На рис. 2 приведены примеры характерных зависимостей N (1) для текстолита (рис. 2,а) и для эпоксидной смолы с кварцевым заполнителем (рис. 2,б). Пунктир ной линией отмечена максимальная нагрузка установочного цикла 1I. Примеры соответствуют случаю совпадения направлений нагрузок установочного и тестового циклов.

Рис. 2. Зависимости N (1) для текстолита (а) и для эпоксидной смолы с кварцевым заполнителем (б) Каждому образцу соответствовал фиксированный, кратный 15, угол между направлением приложения установочной и тестовой нагрузки, при этом для каждого образца был рассчитан угол между ап проксимирующими прямыми. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Табл. 2. Результаты экспериментов Вид материала № образца Угол между направлением прило- Угол между аппроксимирующими жения нагрузки и вертикальной прямыми в градусах отметкой в градусах 1 0 Эпоксидная 2 15 смола 3 30 4 45 ** 5 90 ** 1 0 2 15 Текстолит 3 30 ** ПТК 4 45 ** 5 90 ** ** - эффект Кайзера практически не наблюдался Из табл. 2 видно, что существует тесная связь между качеством проявления ЭК в исследуемых ма териалах, определяемым по значению угла между прямыми, аппроксимирующими ветви зависимости N XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика (1) и углами между направлениями приложения установочной и тестовой нагрузки. Причем при превы шении углов между направлениями приложения установочных и тестовых нагрузок значения 45 явного перегиба между ветвями графика выделить практически невозможно, что, в целом, соответствует прове денным ранее аналогичным исследованиям на различных горных породах [5].

Заключительная серия экспериментов проводилась с целью определения влияния крупности и ко личества кварцевого заполнителя на параметры проявления эффекта Кайзера в образцах эпоксидной смо лы. Основными информативными параметрами при этом являлись относительная погрешность воспроиз ведения эффекта Кайзера и ранее описанный угол между аппроксимирующими прямыми для графика суммарного счета АЭ N. Результаты заключительной серии представлены в табл. 3.

Табл. 3. Исследование влияния крупности и количества заполнителя Серии образцов Информативные параметры Крупность- 0.2 мм Крупность - 0.45-0.2 мм Крупность - 0.2 мм Крупность - 0.45-0.2 мм Объемная доля к эпок- Объемная доля к эпок- Объемная доля к эпок- Объемная доля к эпок сидной смоле 1/5 сидной смоле – 1/5 сидной смоле – 2/5 сидной смоле – 2/ Относительная погрешность 3,8 6,3 1,2 4, воспроизведения ЭК, % Угол между аппроксими рующими прямыми в граду- 110 114 100 сах Из табл. 3 видно, что наиболее оптимальным с точки зрение четкости проявления ЭК в эпоксидной смоле с кварцевым заполнителем является сочетание крупности заполнителя в -0,2мм и его концентрации 2/5 по отношению к вмещающей матрице. Следует также отметить, что условием обеспечения упрочнения композитного материала с помощью дисперсионного макрозаполнителя его объемное содержание должно превышать 25% от объема вмещающей матрицы [6], что выполняется при указанной концентрации 2/5.

ВЫВОДЫ Экспериментальное изучение эффекта Кайзера в текстолите и эпоксидной смоле с кварцевым за полнителем показало следующее.

1. В обоих материалах эффект Кайзера отчетливо проявляется при двухцикловом одноосном нагруже нии. При этом длительность «сохранности памяти» у обоих материалов превышает 7 суток. Основны • ми информативными параметрами выступают скорость счета АЭ N и суммарный счет АЭ N.

2. Для обоих материалов характерна зависимость проявления эффекта Кайзера от угла между на правлениями приложения установочной и тестовой нагрузками. Причем при угле между указанными нагрузками, превышающем значение 45, эффект Кайзера пропадает полностью. Определение угла между двумя прямыми, аппроксимирующими ветви графика суммарного счета АЭ дает возможность определения угла с точностью до 15.

3. Крупность и концентрация кварцевого заполнителя оказывают влияние на качество проявления ЭК в эпоксидной смоле. С учетом технологических особенностей формирования дисперсноупрочненных композитов, а также с точки зрения наименьшей погрешности воспроизведения указанного эффекта, наиболее удачной представляется комбинация эпоксидной смолы с заполнителем крупностью менее 0,2 мм и концентрацией 2/5 по объему.

В заключение следует добавить, что использование эффекта Кайзера в описанных композиционных мате риалах позволяет создавать сигнализаторы критических уровней напряжений, с помощью которых воз можно производить оценку медленно изменяющегося напряженно-деформированного состояния различ ных сред. В частности такие сигнализаторы могут решать актуальные задачи по оценке напряжений, дей ствующих в массиве горных пород при подземной разработке полезных ископаемых.

ЛИТЕРАТУРА 1Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л.Акустоэмисионный эффект памяти в горных породах.

М.:ИздательствоМосковскогогосударственногогорногоуниверситета. 2004, 450 с 2 Kaiser J. Erkenntnisse und Folgerungen aus der Messung von Geruschen bei Zugbeanspruchung von metallischen Werkstoffen // Archiv fr das Eisenhttenwesen. 1953. Bd 24, N 1/2. S. 43-45.

3 Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

4 J.F.Fuentealba, R. Galleguillos, Y. Vargas-Hernаndez, J. Ruzzante, L. Gaete-Garretоn. Stress Mamory lasting in composite mate rials. International congress on ultrasonics, universidad de Santiago de Chile, Jan. 5A. Lavrov, A. Vervoort, M. Wevers, J.A.L. Napier. Experimental and numerical study of the Kaiser effect in cyclic Brazilian tests with disk rotation. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 39 (2002) 287– 6. Колл. авторов. ПоднаучнойредакциейЮ.С. Карабасова. Новые Материалы. – М: «МИСИС» - 2002 – 736 с.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика УДК 550. В.А.Гаврилов1, И.А.Пантелеев2, Г.В.Рябинин МОДУЛИРУЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ГЕОАКУ СТИЧЕСКУЮ ЭМИССИЮ ГОРНЫХ ПОРОД:

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ФЛЮИДА Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН Россия, 683023 г.Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, vgavr@kscnet.ru Институт механики сплошных сред УрО РАН, Россия, г. Пермь, pia@icmm.ru Камчатский филиал Геофизической службы РАН Россия, 683023 г. Петропавловск-Камчатский,gena@emsd.ru Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований физических причин и механиз мов эффекта модулирующего воздействия внешнего электромагнитного излучения, оказываемого на геоаку стические процессы в горных породах, находящихся в условиях естественного залегания, а также механизмов, обуславливающих деградацию этого эффекта перед сильными близкими землетрясениями.

Ранее по результатам многолетних скважинных геоакустических и электромагнитных измерений, проводимых на скважинах Петропавловск - Камчатского геодинамического полигона, было установлено, что в сейсмически спокойные периоды среднеквадратические значения уровня геоакустической эмиссии (ГАЭ), измеряемые геофонами, установленными на глубинах от 200 м до 1000 м, имеют высокую степень корреляции со значениями электромагнитного излучения (ЭМИ) в районах скважин, регистрируемых под земными электрическими антеннами [1,2]. За сутки и более перед сильными (МLH 5.0) близкими земле трясениями, а также в периоды релаксации после землетрясений, отклики ГАЭ на воздействие ЭМИ зна чительно деградируют, коррелированность рядов уровней ГАЭ и ЭМИ падает вплоть до нулевых значе ний. Для поиска физических причин и механизмов деградации откликов ГАЭ на воздействие ЭМИ перед землетрясениями проводился совместный анализ временных рядов ГАЭ (скважина Г-1), ЭМИ (скважина Г-1), минерализации воды в скважинах Г-1 и ГК-1, а также расхода воды для Пиначевского источника №3, расположенного в районе скважины ГК-1. Cкважина Г-1 расположена в черте г.Петропавловска Камчатского, имеет глубину 2542 м, обсажена на всю глубину. Скважина ГК-1 удалена примерно на 35 км на северо-запад от скважины Г-1, имеет глубину 1261 м, обсажена до глубины 613 м.

Среди полученных результатов теоретических исследований, имеющих обобщающий характер, можно отметить следующее.

1. Физический механизм откликов ГАЭ на воздействие ЭМИ. В сейсмически спокойные пе риоды фоновый уровень ГАЭ на глубинах установки геофона (около 1000 м) определяется, в основном, шумами процессов переупаковки, фрагментации, компакции, растрескивания флюидонасыщеннойгеосре ды под воздействием тектонических напряжений, литостатического давления, сейсмических волн и при ливов. Указанные процессы сопровождаются как геоакустической эмиссией, так и образованием двойных электрических слоев (ДЭС) на границах раздела флюид - минеральный скелет горной породы. Величины зарядов ДЭС на каждом таком контакте оказывают существенное суммарное влияние на уровень ГАЭ, поскольку с увеличением зарядов ДЭС коэффициент трения для межфазных границ возрастает, что тормо зит процессы переупаковки, фрагментации, растрескивания и вызывает уменьшение уровня ГАЭ. Увели чение коэффициента трения для межфазных границ с увеличением зарядов ДЭС косвенно подтверждается экспериментально обнаруженным изменением параметров трения под влиянием электрического тока [3].

Изменение величин зарядов ДЭС на границах раздела жидкой и твердой фаз во флюидонасыщеннойгеос реде связано с электрокинетическими процессами и определяется плотностью тока, переносящего заряды в ионосодержащем флюиде (электролите). Суммарная плотность тока, например, в капиллярном канале, заполненном электролитом, определяется вкладом нескольких механизмов:

j = jE + jD + jconvec + jconduct, (1) где jE = f E - плотность тока проводимости, f- удельная электропроводность флюида, jD плотность диффузионного тока [4]. Третье и четвертое слагаемое задаются соотношением p P f, jconvec + jconduct = (2) где p - диэлектрическая постоянная флюида, - динамическая вязкость флюида, - дзета потенциал, определяющий плоскость скольжения в ДЭС, P - градиент порового давления, - потен циал течения [5,6].

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Первое слагаемое в соотношении (1) описывает перенос зарядов под действием электрического поля, второе - под действием сил диффузии. Третье и четвертое слагаемые описывают появление потен циала течения, связанного с изменением порового давления. При течении жидкости по капиллярному ка налу происходит увлечение части ионов ДЭС и появление соответствующих токов.

Таким образом, если геосреда находится под действием внешнего электрического поля в сейсми чески спокойные периоды, когда градиент порового давления пренебрежимо мал и электропроводность находящегося в ней флюида не меняется, то процесс переноса зарядов в такой среде будет контролиро ваться только внешним электрическим полем. Соответственно изменение величин зарядов ДЭС на грани цах раздела жидкой и твердой фаз в этом случае будет определяться величиной напряженности внешнего электрического поля. Это объясняет физический механизм эффекта модуляции уровня ГАЭ внешним ЭМИ, наблюдаемого при скважинных высокочувствительных измерениях. Электропроводность геосреды для сейсмически спокойных периодов выступает как параметр геоакустическойчувствительности геосре ды к модулирующему воздействию ЭМИ. Таким образом, амплитуда откликов уровня ГАЭ на воздейст вие ЭМИ в асейсмичные периоды будет определяться двумя основными факторами: величиной напря женности внешнего электрического поля и значениями электропроводности горных пород в районе сква жины.

2. Физические причины и механизм вариаций уровня ГАЭ при изменениях напряженно деформированного состояния геосреды. Как было указано выше, уровень ГАЭ определяется интенсив ностью процессов переупаковки и трещинообразования в массиве пород, окружающем измерительную скважину. В свою очередь интенсивность этих процессов зависит от уровня и распределения объемных зарядов ДЭС на берегах трещин, контактных поверхностях зерен, кристаллов, блоков и т.п. Эволюция этих зарядов связана с электрокинетическими процессами, протекающими в объеме флюидонасыщенной среды, и определяется плотностью тока, переносящего заряды в ионосодержащем флюиде. При изменени ях напряженно-деформированного состояния геосреды кроме механизма переноса зарядов под действием внешнего электрического поля необходимо учитывать перенос зарядов потоком флюида (появление по тенциала течения), связанного с изменением порового давления.

При возрастании в районе скважины сжимающих напряжений на первой стадии могут иметь место следующие изменения параметров геосреды и соответствующие результаты измерений:

- увеличение градиента порового давления (если общий объем флюида в районе скважины остает ся неизменным) [7]);

- выжимание флюида из зон повышенной трещиноватости, что повлечет за собой уменьшение удельной электропроводности и токов проводимости в породах, окружающих скважину, и соответствую щее уменьшение откликов уровня ГАЭ на воздействие ЭМИ;

- увеличение минерализации воды в самоизливающихся скважинах вследствие поступления в во доносные горизонты отжатых из пород поровых растворов;

- повышение уровня воды в пьезометрических скважинах и увеличение расхода воды в самоизли вающихся скважинах и источниках;

- уменьшение пористости с соответствующим уменьшением суммарной площади свободных по верхностей в объеме пород, контактирующих с флюидом и обладающих зарядами ДЭС, что повлечет за собой уменьшение суммарного количества источников ГАЭ, инициируемых электрокинетическими про цессами и как следствие – уменьшение уровня ГАЭ;

- незначительное увеличение градиента потенциала течения.

В итоге внешнее ЭМИ будет оказывать все меньшее модулирующее влияние на уровень ГАЭ. Оп ределять уровень ГАЭ в этом случае будут токи, индуцированные изменением градиента порового давле ния.

Дальнейшее увеличение сжимающих напряжений может приводить к масштабным изменениям емкости порово – трещинного пространства и условий фильтрации подземных вод. Очевидно, что кон кретные варианты таких изменений и их следствия будут во многом определяться геологическими осо бенностями района измерений. На этой стадии возможно смешение вод ранее изолированных водоносных горизонтов, усиление или уменьшение подтока глубинных флюидов.

Уменьшение сжимающих напряжений или дилатансионное увеличение объема пород в районе скважины могут приводить к следующим изменениям параметров геосреды:

- увеличению объема порово – трещинного пространства с последующим увеличением удельной концентрации флюида в объеме пород, окружающих скважину, что повлечет за собой увеличение эффек тивной удельной электропроводности;

- уменьшению градиента порового давления;

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика - увеличению пористости с соответствующим увеличением суммарной площади свободных по верхностей в объеме пород, контактирующих с флюидом и обладающих зарядами ДЭС, что повлечет за собой увеличение суммарного количества источников ГАЭ, инициируемых электрокинетическими про цессами;

- резкому увеличению градиента потенциала течения (согласно [8]).

В итоге, модулирующее влияние внешнего электрического поля на уровень ГАЭ будет сохранять ся. Появление токов, связанных с резким увеличением градиента потенциала течения, в совокупности с током проводимости, должно приводить к росту уровня ГАЭ.

Анализ результатов многолетних скважинных измерений показывает, что в большинстве случаев регистрируемые значимые изменения характеристик ГАЭ находят свое объяснение в рамках указанных выше моделей. В качестве примера на рис. 1 представлены результаты измерений для временной Рис. 1. Пример согласованных изменений комплекса геофизических величин в периоды изменений на пряженно – деформированного состояния геосреды: a - электромагнитные измерения с подземной электриче ской антенной;

b - геоакустические измерения на глубине 1012 м;

c – фоновый уровень ЭМИ;

d – расход воды Пиначевского источника№3;

e - минерализация воды скважины Г-1;

f- минерализация воды скважины ГК-1.

Пояснения в тексте.

окрестности мегаземлетрясенияв районе Тохоку, Япония (М=9.0), произошедшего 11 марта 2011 г.

на эпицентральном расстоянии R=2049 км. Для оценки изменений электропроводности горных пород, ок ружающих скважину, были привлечены данные электромагнитных измерений с подземной электрической антенной на скважине Г-1, проводимые с середины 2003 г. [1,3]. Основным линейным элементом антенны является неизолированная от геосреды обсадная труба скважины и по этой причине, в соответствии с приводимыми в [9] расчетами, ее характеристики сильно зависят от удельной электропроводности горных пород, окружающих скважину. Текущие значения электропроводности также определяют и величину за тухания ЭМИ, регистрируемого в геосреде. Однонаправленное действие указанных факторов позволяет использовать такую антенну для высокочувствительного мониторинга текущих изменений удельной элек тропроводности геосреды. Обработка исходных рядов данных электромагнитных измерений (рис. 1,a) с выделением фонового уровня ЭМИ (рис. 1,c) проводилась по методике, описанной в [10].

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Приведем некоторые пояснения и комментарии к данным, представленным на рис.1. Рис.1,a отра жает изменения среднеквадратических значений ЭМИ на выходе полосового третьоктавного фильтра с центральной частотой 160 Гц с осреднением на пятиминутном интервале. На рис. 1,b представлены ре зультаты измерений ГАЭ, полученные по аналогичной схеме. Видимые на врезке изменения амплитуды суточных вариаций ГАЭ по сути являются откликами на суточные вариации напряженности внешнего ЭМИ [2].

Как видно из данных, приводимых на рис. 1,b, с 11.01.2011 г. до 27.02.2011 г. наблюдался плавный рост амплитуды суточных вариаций уровня ГАЭ, который сопровождался снижением минерализации во ды скважин Г-1 и ГК-1 (рис.1,e и рис.1,f) и устойчивым падением расхода воды Пиначевского источника № 3 (рис. 1,d). Такое сочетание характера данных, на наш взгляд, позволяет говорить о том, что на указан ном интервале происходило падение напряжений в геосреде. Следует также отметить, что с декабря г. изменения минерализации на скважинах Г-1 и ГК-1 приобрели согласованный характер, причем по мере приближения момента мегаземлетрясенияв районе Тохокукорреляция между рядами минерализации воз растала. Если на интервале 01 декабря 2010 г. – 25 декабря 2011 г. максимальный коэффициент корреля ции составил +0.77, то на интервале 30 апреля – 25 декабря 2011 г. его величина возросла до +0.87 при нулевой задержке между рядами. Таким образом, на этом интервале имели место синхронные изменения минерализации воды скважин Г-1 и ГК-1. Примерно за 12 суток до землетрясения изменился характер данных по дебиту воды: дебит стал увеличиваться с одновременным увеличением минерализации воды скважины ГК-1, увеличением фоновых значений уровня ЭМИ (уменьшением удельной электропроводно сти горных пород) и уменьшением амплитуд откликов уровня ГАЭ.Следует отметить, что такой характер согласованных изменений измеряемых величин полностью соответствует приводимым выше физическим моделям. Уменьшение амплитуды суточных вариаций уровня ГАЭ после землетрясения в течение месяца происходило на фоне значительного повышения минерализации воды скважин Г-1 и ГК-1, которое затем сменилось фазой снижения минерализации воды. При этом момент указанных изменений в характере ми нерализации воды в скважинах (середина апреля 2011г.) соответствует достаточно резкому увеличению фоновых значений ЭМИ. Поскольку увеличение фоновых значений ЭМИ означает уменьшение электро проводности горных пород, окружающих скважину, то можно полагать, что примерно с середины апреля 2011 г. район скважины Г-1 оказался в зоне аномально высоких сжимающих напряжений и деформаций, вызвавших выжимание жидкого флюида из горных пород. В пользу такого предположения говорит также то, что начиная с мая 2011 г. изменения минерализации воды скважин почти перестали сказываться на изменениях фоновых значений ЭМИ.

ЛИТЕРАТУРА Гаврилов В.А., Морозова Ю.В., Сторчеус А.В. Вариации уровня геоакустической эмиссии в глубокой скважине Г- 1.

(Камчатка) и их связь с сейсмической активностью // Вулканология и сейсмология. 2006. № 1. С.52-67.

2. Гаврилов В.А. Физические причины суточных вариаций уровня геоакустической эмиссии // ДАН. 2007. Т.414. №3.

С.389-392.

3. ChelidzeT., GvelesianiA, VaramashviliN., DevidzeM. etal.Electromagneticinitiationofslip: laboratorymodel // ActaGeofizikaPolonica. 2004. V. 52. N 1. PP.49 -62.

4. Светов Б.С. К вопросу о частотной дисперсии проводимости двухфазной геологической среды // Физика Земли. 2002.

№1. С.46-52.

5. Rastogi R.P., Srivastava R.C.Non-equilibrium thermodynamics of electro-kinetic phenomena // Chemical Reviews. 1993. V.

93. N.6. PP. 1945-1987.

6. Fitterman D. V. Theory of electrokinetic-magnetic anomalies in a faulted half-space // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. PP. 6031 6040.

7. Sammonds P.R., Meredith P.G., Main I.G. Role of pore fluids in the generation of seismic precursors to shear fracture // Nature.

1992. V. 359. PP. 228-230.

8. Eccles D., Sammonds P., Clint O. Laboratory studies of electrical potential during rock failure // International Journal of Rock Mechanics. 2005. V. 42. PP. 933-949.

9. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: в 2-х книгах. Пер. сангл. М.: Мир. 1984. 824 с.

10. Гаврилов В.А. Динамика микротрещинноватостигеосреды в связи с катастрофическими Симуширскими землетрясения ми 2006-2007 гг. по данным комплексных скважинных измерений на Камчатке // Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле. К 40-летию создания М.В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН. Материалы докладов Все российской конференции. Т.2. М.: ИФЗ. 2009. С.295-302.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика УДК 620. Е.А. Новиков О ВЛИЯНИИ ТРЕЩИНОВИДНЫХ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ СКАЛЬНЫХ ГЕОМАТЕРИАЛОВ НА ИХ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКУЮ ЭМИССИЮ ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Россия, 119991, Москва, Ленинский проспект, Тел.: (499) 230-25-93;

E-mail: ftkp@mail.ru Проведено экспериментальное исследование влияния трещиновидных дефектов структуры геоматериала на параметры его термоакустической эмиссии в низкотемпературной области. Выявлено, что указанные де фекты приводят к формированию в определенном температурном диапазоне экстремума огибающей актив ности термоакустической эмиссии, причем пиковое значение этого экстремума не менее чем в полтора раза превосходит значения ограничивающие экстремальную область. Показана возможность определения преобла дающего в образце геоматериала вида трещиновидных дефектов по взаимному соотношению характера сум марного счета и огибающей активности термоакустической эмиссии этого геоматериала.

ВВЕДЕНИЕ Одним из основных факторов оказывающих определяющее влияние на механические свойства скальных геоматериалови их напряженно-деформированное состояние является наличие в них трещино видныхдефектов. В связи с этим достоверное выявление указанных дефектов и определение преобладаю щего их вида представляет значительный интерес для решения ряда прогнозных задач геоконтроля, а так же отбраковки дефектных образцов при проведении массовых механических испытаний, направленных на выявление свойств геоматериалов.

Наиболее распространенные методы оценки параметров трещиноватости горных пород основыва ются на анализе изменения кинематических и динамических характеристик упругих волн ультразвукового диапазона частот при распространении их в геоматериале. Однако, для указанного диапазона характерно очень высокое затухание упругих волн [1], что снижает информативность контроля. Метод визуально измерительного контроля позволяет уверенно выявлять поверхностные трещины, но не дает информации о внутренней структуре геосреды. Другие геофизические методы определения трещиноватости горных пород не обеспечивают необходимой надежности выявления трещиновидных дефектов на образцах из-за их относительно малых размеров. Применение рентгенографических методов для решения описываемой задачи нецелесообразно в виду их высокой ресурсоемкости и потенциальной опасности для оператора.

Известно, что трещиноватость горных пород оказывает влияние на характер акустической эмиссии (АЭ) возникающей при их механическом нагружении [2]. Однако такой способ возбуждения АЭ ведет к формированию новых дефектов, т.е. искажает исходные свойства породы, что не позволяет рассматривать соответствующий контроль как неразрушающий. Помимо этого даже незначительная непараллельность поверхностей образца, на которые осуществляется механическое воздействие при нагружении, приводит к возникновению микроразрушений в приповерхностной области и, как следствие, значительной помеховой составляющей акустической эмиссии. Это ведет к значительному искажению характера акустограммы, что снижает достоверность контроля. Другим способом возбуждения акустической эмиссии в твердых телах является их нагрев.Причем прогрев до малых температур (порядка 180 оС) относительно бездефект ных образцов скальных геоматериалов не вызывает в них формирования новых и значимого роста уже имеющихся дефектов, т.е. исходные механические свойства образцов прошедших такоетермическоевоз действие сохраняются.

С учетом изложенного, в настоящей работе приводятся и обсуждаются результаты эксперименталь ных исследований взаимосвязи между степенью и параметрамитрещиноватостискальных геоматериаловс одной стороны и характером АЭ возникающей при их нагреве -термоакустической эмиссии (ТАЭ), с дру гой.

1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Лабораторная установка, на которой проводились эксперименты содержит нагревательную трубча тую печь типа NaberthermRT 50/250/11 с контроллером типа P 320, которая позволяет производить нагрев образцов до 1100 oC с заданной скоростью[3]. В печи, ось которой ориентирована вертикально, между волноводами из кварцевого стекла помещается исследуемый образец горной породы, сигналы ТАЭ кото рого через один из волноводов передается на приемный акустический преобразователь акустоэмиссион XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика ной системы A-Line 32D. Эта система принимает, усиливает и оцифровывает сигналы АЭ в полосе 30- кГц, а также измеряет комплекс их информативных параметров. Кроме того на параметрический канал системы поступают сигналы с термопары, размещенной внутри образца и обеспечивающей измерение его температуры.В качестве объектов исследования использовались образцы Коелгинского мрамора различ ной степени и преобладающего вида трещиноватости, выполненные в виде параллелепипедов размером 252550 мм.В пр оцессе испытаний эти образцы нагревались от комнатной температуры до 180 oC со скоростью 2,5 град./мин, одновременно с этим производилась регистрация активности и суммарного счета АЭ. Для подтверждения наличия или отсутствия, а также идентификации вида трещиновидных дефектов в отработанных образцах, они разделялись на совокупность шлифов которые исследовались методом опти ческой микроскопии. Для упрощения визуализации результатов проведенных исследований на получен ных термоакустограммах выделялась огибающая активности ТАЭ.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Все образцы с незначительным количеством трещиновидных дефектов или при их полном отсутст вии имели термоакустограммы, характерный вид которых приводится на рис. 1.

Рис. 1. Функция огибающей активности N(1) и суммарного счета N(2)ТАЭ от температуры Т нагрева бездефектного образца Из рис. 1 видно, что зависимости 1 и 2 имеют монотонный характер. Это подтверждает отсутствие интенсивного дефектообразования, т.к. начало этого процесса сопровождается формированием экстрему ма активности ТАЭN и нарушает монотонность роста суммарного счета ТАЭN. Имеющаяся в рассматри ваемом температурном диапазоне активность ТАЭNобъясняетсяфоновыми шумами, а также постепен ным ростом напряжений (в температурном диапазоне 30160 оС) и незначительным развитием (в темпера турном диапазоне 160180 оС) исходно имеющегося вобразцах некоторого количества структурных неод нородностей.

Характерные результаты испытаний образцов с группой незалеченных трещиновидныхмакродефек тов приведены на рис. 2. На нем можно выделить область экстремума огибающей Nв температурном диапазоне100175оС.

Экспериментально обнаружено, что при наличии в геоматериалегруппытрещиновидныхмакродефектов процесс интенсивного дефектообразования начинает ся именно в указанной температурной области. Это приводит к нарушению монотонного характера роста N(Т) и возрастанию активности ТАЭ N в этом температурном интервале более чем в полтора раза, по сравнению с её значениями при температурах 100 oC и 175oC. В области 30100 оС относительно низкий уровень ТАЭ объясняется все еще недостаточными для роста трещиновидных дефектов термонапряже ниями, а при температуре нагрева более 175оС – стабилизацией процесса трещинообразования, т.к. по ме ре достижения большинством имеющихся трещиновидных дефектов определенных геометрических пара метров их рост практически останавливается и уровень активности ТАЭ возвращается к некоторому базо вому уровню.

Отдельно выделим, что одновременное четкое проявление обоих признаков дефектности образца, а конкретно: более чем полуторакратный, по отношению к граничным областям экстремум огибающей N и изменение монотонного характера N(Т), справедливо только для случая группы трещиновидныхмакроде фектов.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Рис. 2. Функция огибающей активности N(1) и суммарного счета N(2)ТАЭ от температуры Т нагрева образца с группой трещиновидных дефектов В случае образца содержащего лишь несколько единичных трещиновидныхмакродефектов, возни кающих за их счет термонапряжений недостаточно для интенсификации дефектообразования по всему объему образца и этот процесс происходит лишь в нескольких ограниченных областях, смежных с каж дым из указанных дефектов. Следовательно, в интервале 100175оС не будет наблюдаться отчетливого экстремума огибающей N, но этот параметр все равно будет иметь более высокое среднее значение по сравнению с имеющимся в соседних температурных интервалах, что приведет к заметному изменению монотонности возрастания N(Т), как это представлено на рис. 3.

Рис. 3. Функция огибающей активности N(1) и суммарного счета N(2)ТАЭ от температуры Т нагрева образца с несколькими единичными трещиновидным дефектами В случае преобладания в образце залеченных трещиновидных дефектов в области 100175оС выде ляется только экстремум огибающей N. Этот факт объясняется тем, что в силу своей природы вещество заполнителя практически не содержит дефектов и деструктивные процессы в нем возникают исключи тельно за счет разности тепловых свойств вещества заполнителя и матрицы стенок трещиновидного де фекта. При этом температурное расширение вещества заполнителя идет непрерывно, что приводит к воз никновению постоянных напряжения по плоскости его контакта с матрицей стенок трещин. Это создает большое количество событий АЭ, но каждое из них имеет малую энергию из-за недостаточности таких напряжений для интенсивной деформации матрицы геоматериала. Термонапряжения достаточные для на рушения структуры вещества заполнителя и, соответственно, формирования незалеченных трещиновид ных дефектов матрицы геоматериала, возникают при нагреве более 100 оС. Такие деформации носят дис кретный и кратковременный характер, т.к. после их осуществления происходит перераспределение на пряжений и развитие трещины останавливается, в тоже время каждое такое событие вызывает значитель XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика ное возрастание активности ТАЭN. Пример характерной для указанного случая термоакустограммыпри веден на рис. 4.

Рис. 4. Функция огибающей активности N(1) и суммарного счета N(2)ТАЭ от температуры Т нагрева образца с группой залеченных трещиновидных дефектов Как следует из рис. 4 события ТАЭ от вещества заполнителя залеченных трещиновидных дефектов характеризуются малой частотой появления, но относительно высокой N каждого из них. Из-за малого числа таких событий в единицу времени их доля в суммарном счете ТАЭN не велика и они не оказывают значимого влияния на динамику этого параметра. Однако Nэтих событий более чем в полтора раза пре вышает N (80 оС) и N (130 оС), что позволяет им сформировать экстремум огибающей активности ТАЭN, ограниченный указанными температурами.

ВЫВОДЫ 1. Термоакустоэмиссионные исследования образцов горных пород в низкотемпературной области вплоть до 180 оС могут выступать в качестве эффективного инструмента интегральной оценки степени трещиноватости этих образцов. При нагреве до указанной температуры образцов скальных геоматериалов, не содержащих значимых трещиновидных дефектов исходные физико-механические свойства материала составляющего образец сохраняются.

2. Путем анализа характера термоакустической эмиссии образца геоматериала возможно выделить преобладающий в нем тип трещиновидных дефектов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-05-00141).


ЛИТЕРАТУРА Шкуратник В.Л. Горная геофизика. Ультразвуковые методы. М,: МГИ, 1990. - 103 с.

1.

Лавров В.В., Шкуратник В.Л. Акустическая эмиссия при деформировании и разрушении горных пород 2.

(обзор) // Акустический журнал, 2005, том 51, Приложение. – С. 6-18.

Вознесенский А.С., Шкуратник В.Л., Вильямов С.В., Винников В.А. Установка для акустоэмиссионных ис 3.

следований горных пород при их нагревании // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007.

- №12. - С. 143-150.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика УДК 542. Л.Л. Панасьян1, В.М. Ладыгин1, В.Б. Курносов СВЯЗЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ СО СТРУКТУРАМИ В БАЗАЛЬТАХ ГАВАЙСКИХ ОСТРОВОВ 119991, Российская Федерация, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, Московский государственный уни верситет имени М.В.Ломоносова, Геологичеcкий факультет. Тел. 939-49-15, e-mail: liylipan@gmail.com 119017 Москва, Пыжевский пер, 7.Геологический институт АН РФ. Тел.230-8-04, e-mail:vic-kurnosov@mail.ru Изучались образцы керна скважин, расположенных на фланге Гавайского вулкана, пробуренных по проекту HawaiiScientificDrillingProject программы ContinentalDynamics. Исследовались акустические и физико-механические свой ства базальтов различной структуры. Определялись максимальные значения амплитуд и энергии сигналов, частотный спектр, активность и интенсивность АЭ по полосам частот, скорость наступления событий. Минеральный состав пород изучался под микроскопом. Базальты представлены тремя разновидностями. В них выделяется несколько типов развития активности АЭ в процессе нагружения образцов, проявляющейся независимо от скорости подачи нагрузки. Установлено, что типы излучения АЭ, зависят преимущественно от состава вкрапленников, их размеров и состояния, строения основ ной массы, структуры пород, заполнения пор. Приводятся примеры изменения АЭ для структуры пород с различным коли чеством крупных оливиновых (Ol) трещиноватых вкрапленников, кристаллов плагиоклаза (Pl) и пироксена (Px) при разном их соотношении. Так, если Ol в породе изменен, то снижается максимальная энергия низкочастотных импульсов, но уве личивается энергия среднечастотных. Если в разновидностях присутствует много крупных кристаллов Pl, а поры в поро де залечены вторичными минералами, это приводит к резкому увеличению активности и энергии высокочастотных им пульсов с последующим падением активности практически до нуля, что вероятнее всего связано с разрушением «перегоро док» между порами.

Задачей исследований являлось установление зависимости акустической эмиссии от структурных параметров при одноосном сжатии на породу. Поскольку влияние структуры на АЭ следует рассматривать для пород одного и того же химического и минерального состава, тобыли использованы образцы молодых мало измененных гавайских базальтов.Проанализированы первые результаты по комплексному их изуче нию из керна скважин (HSDP1 и HSDP2). Бурение осуществлено по проекту HawaiiScientificDrillingProject при поддержке Национального научного фонда США (NSF) через программу ContinentalDynamics.В2007 г на окончательном этапе до глубины 3520 мбурение финансировалось Международной программой конти нентального бурения (ICDP). Скважины пройдены в восточной части самого крупного острова, образо ванного базальтами пяти щитовых вулканов архипелага Гавайи. Бурение проводилось в 50-ти метрах от береговой линии залива Хило, на высоте 11,7 м выше уровня моря вдали от проявления высокотемпера турных флюидов, чтобы вскрывались в основном неизмененные подводные вулканиты. Лавовые потоки опробованы по профилям от кровли до подошвы. Изученный керн из скважинHSDP1 и HSDP2 на сего дняшний день максимально характеризует состав и строение пород, образованных в условиях внутри плитного вулканизма Гавайского типа.

Характеристика видов определений при изучении базальтов Таблица Изучение SiO2, TiO2, Fe2O3, FeO, MnO, MgO, CaO, Na2O, K2O, P2O химсостава Анализ вулканитов проведен методом «мокрой» химии.

Анализ Визуальная оценка количества и размеров пор, изучение петрографиче строения по- ского строения и состава под микроскопом, оценка и классификация по род род по их структурно-текстурным особенностям Определение Устанавливались: объемная плотность (), плотность твердой фазы, гигро показателей скопия, пористость (n), скорость продольных волн (Vp), прочность при свойств одноосном сжатии, намагниченность Изучение АЭ Фиксировались: максимальные значения амплитуд и энергии сигналов, при одноос- частотный спектр, активность и интенсивность АЭ в том числе по полосам ном нагруже- частот, скорость наступления событий, время до формирования магист нии ральной трещины Исследования проводились по следующим направлениям (табл. 1): по 120 образцам устанавлива лась связь химического состава пород с глубиной залегания различных потоков, анализировалось распре деление типов базальтов по глубине, влияние химического состава на свойства базальтов, взаимосвязь различных свойств между собой для трех разновидностей базальтов (пикритовых, толеитовых и щелоч ных), по 24 образцам изучалось влияние состава и строения пород на акусто-эмиссионные (АЭ) парамет ры.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика По химическому составу среди изученных базальтов выделяются магнезиальные (пикритовые) с содержанием MgO больше 15%, щелочные - с содержанием SiO2менее 45% и суммы NaO и K2Oболее 3%, толеитовые - SiO2более 49% и суммы NaO и K2O меньше 3%.

Минеральный состав изучаемых базальтов представлен плагиоклазом, пироксеном, оливином, вулканическим стеклом, рудными минералами. Основными разновидностями среди изученных базальтов были породы, обладающие порфировой (с вкрапленниками оливина - Ol и плагиоклаза - Pl) и афировой структурой. Плагиоклазом и пироксеном (Px) сложена основная масса. В порфировых базальтах примерно половину всех вкрапленников составляет оливин размером до 10 мм, вкрапленники плагиоклаза - в виде вытянутых кристаллов с максимальным размером до 1,2 мм. Вулканическое стекло в данных базальтах сидеромелановое, количество его достигало в некоторых образцах 5%.

Анализзависимости структурных характеристик пород от глубины их отбора показал, что с ее увеличением уменьшается содержание стекла в базальте, увеличиваются размеры кристаллов основной массы породы, увеличивается количество вкрапленников. Объясняется это процессом кристаллизации расплава при охлаждении лавы, и медленным ее застыванием на больших глубинах, а также положением в отдельном лавовом потоке.

По всей глубине разреза до 3 кмприсутствуют пористые разности базальтов независимо от состава расплава, условий застывания (субаэральные и субаквальные). Для всего разреза характерны низкие зна чения скоростей упругих волн (3-4 км/с), слабо зависящие от плотности и пористости пород и имеющие тенденцию к снижению при увеличении количества окислов магния. Наиболее четко прослеживается связь прочности и пористости, которая для всех типов изученных базальтов с увеличением пористости является степенной убывающей функцией близкойк гиперболической. При этом, чем меньше пористость, тем больше расхождение этих функциональных кривых, которые имеют общую точку пересечения в зна чениях пористости вблизи 40%.

Акустические измерения проводились с помощью системы акустико-эмиссионного контроля СДС 1008 (рис.1). Сигнал, поступающий от образца (импульсы длительностью 10-4–10-8 с), снимался пье зоэлектрическим преобразователем, усиливался и подавался на блок обработки данных,где происходит непрерывное сравнение абсолютного значения поступающего сигнала со значением порога дискримина ции. В нашем случае порог дискриминации составлял 58 дБ. Если текущее значение абсолютной величи ны превысит заданный порог, начинается запись сигнала в цифровой форме. Точность наступления собы тий 1мкс. Полученные таким образом цифровые данные обрабатываются сигнальным процессором, кото рый вычисляет параметры события: – количество АЭ событий за 1 секунду, – сумму событий за прошедшее времяt, среднее значение максимальной амплитуды и энергии АЭ-сигналов, происшедших за секунду, частотный спектр и др.

Рис1. 4-х канальная система акустико-эмиссионного контроля СДС Наиболее информативными параметрами АЭ при изучении горных пород являются активность, которую можно охарактеризовать углом наклона усредненной кривой скорости событий АЭ;

интенсив ность(N=f(t)) и распределение импульсов по полосам частот для оценки энергетических характеристик и соответственно их количества. В изученных базальтах можно выделить несколько типов развития актив ности АЭ в образцах в процессе одноосного нагружения. Для них характерно равномерное либо скачкооб разное излучение АЭ, проявляющееся независимо от скорости подачи нагрузки (50 и 100 кг/мин). В об разцахгавайских базальтовпри нагружениимаксимальная энергия высокочастотного (в/ч - до 1-5 МГц) из лучения не меняется и составляет 38 дБ, среднечастотного (с/ч - 0,1-1 МГц) - 55-59 дБ, низкочастотного (н/ч - 0,1МГц),изменяясь от 29 до 55 дБ (в среднем 43 дБ).

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Первый тип кривых (рис. 2) характерен, в основном, для магнезиальных разновидностей с большим количеством (25-40%)вкрапленников оливина,равномерно распределенныхв породе;

основная масса представлена плагиоклазом и пироксеном в соотношении 40:60.КристаллыOlкрупные 0,5-6 мм с трещинами,кристаллы Pl и Px имеют размеры 0,1 мм и до 0,02 мм соответственно. На фоне равномерного роста количества сигналов в течение всего процесса нагружения происходят частые их увеличения ампли туд на порядок. Вероятнее всего к этому приводит большое содержание трещиноватых оливинов. Распре деление максимального числа импульсов отнесенного к скорости нагружения по полосам частот для этого типа кривых следующее:низкочастотныхпочти в 2 разаменьшесреднечастотных,которые в свою очередь примерно равны высокочастотным. Такое соотношение остается неизменным, если породы обладают оди наковой пористостью. С увеличением этого параметра в 2 раза, во столько же раз сокращаются высоко частотные сигналы.


N Рис. 2. Первый тип кривой (скорость счета N, красная линия - суммарный счет во времени) и структура порфирового базальта. Белая полоса – масштаб, равный 200 мкм Рис. 3. Второй тип кривой и структура базальта. Белая полоса – масштаб, равный 1000 мкм Второй тип кривых (рис.3) характерен для пород с микрокристаллической структурой, но с мень шим количеством (15-30%) неравномерно распределенных нетрещиноватых вкрапленников Ol размером 0,3-4 мм, подвергнутого вторичным изменениям. Кроме того, также во вкрапленниках здесь присутствует Pl удлиненный почти в 10 раз по сравнению с кристаллами этого минерала, заполняющими на 40% основ ную массу. Остальные 60% представлены очень мелкими Px. В таком базальте снижается максимальное значениеэнергиив спектре низкочастотных импульсов, но увеличивается для импульсов средней частоты.

Хотя соотношение частот остается на прежнем уровне, активное излучение начинается не сразу. Сокраща ется общее количество импульсов в минуту почти в 2 раза по сравнению с первым типом. Это можно объ яснить «поздним» разрушением более мелких оливинов и вкрапленников удлиненных плагиоклазов на стадии близкой к прочности породы.

Третий тип кривых (рис. 4) характеризуется очень небольшой активностью (от 4 до 12 событий в секунду) толеитовых и магнезиальных базальтов практически в течение всего испытания. В породах до 5 XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика 10% снижается количество Ol вкрапленников, уменьшается их размер до 0,3-1 мм, в основной массе со держится примерно равное количество равномерно распределенных кристаллов Px и удлиненных микро литов Pl, размер которых составляет сотые доли мм. Иногдаплагиоклаз слабо ориентирован. Базальт с этим типом излучения АЭ обладает относительно высокой пористостью до 19% среди изученных разно видностей. По резкому изменению угла наклона кривой можно определить напряжение, при котором воз никают необратимые деформации, приводящие к формированию магистральной трещины и разрушению.

Максимальное число среднечастотных и высокочастотных событий на порядок меньше, чем в породах, излучающих по первому типу.

Рис. 4. Третий тип кривой и структура базальта. Белая полоса – масштаб, равный 50 мкм 4 тип (рис. 5) кривых (скачкообразный) характерен для микрокристаллических разновидностей с несколь кими видами структур. 1) Базальт с очень большим содержанием до 40% Ol, но иным распределением и содержанием плагиоклаза и пироксенов, которое можно условно записать следующим образом: PlPx по количеству, а PxPl по размерам. 2) Ol 25%, Plудлиненный.Если в основной массе таких образцов PlPx, то наблюдается самое высокое количество событий на всех частотах. Причем, низкочастотных примерно в 3 раза меньше среднечастотных, которых, в свою очередь, меньше высокочастотных.Если PlPx, то общий уровень активности излучения ниже примерно в 3 раза.3) Если во вкрапленниках при сутствуют оливин и плагиоклаз небольшого размера, распределенные в плагиоклаз-пироксеновой микро кристаллической массе, то при одноосном нагружении также происходят резкие всплески АЭ, но при по стоянном нарастании эмиссии.

Рис. 5. Четвертый тип кривых АЭ Пятый тип кривых (рис. 6) встречен в афировых, т.е. без вкрапленников, щелочных и толеитовых базальтах с равномерно распределенными микролитами частично ориентированными Pl размером 0,1-0, мм, и примерно равным, либо превышающим в 2 разаколичеством Pxв виде изометричных мелких от 0,005 до 0,01 мм кристаллов. Фактически характер АЭ свидетельствует о разрушении кристаллов плаги оклаза. Чем больше плагиоклаза, тем больше импульсов средней и высокой частоты, а импульсы низкой частоты, связанные смикрокристаллами основной массы, не превышают десятка событий при увеличении усилия равного 1 кг/мин. Кроме того, этот же тип кривых встречается в разновидностях с большим коли чеством крупных кристаллов Pl, и в образцах с порами, залеченными вторичными минералами. В послед нем случае это приводит к увеличению в 2 раза энергии высокочастотных импульсов до 76 дБ (обычно 38 дБ). Возможно, резкие всплески эмиссии с последующим падением активности практически до нуля связаны с дополнительным разрушением «перегородок» между порами.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика Рис. 6. Пятый тип кривой и структура базальта. Белая полоса – масштаб, равный 50 мкм Таким образом, первые четыре типа кривых встречаются во всех изученных разновидностях по род,пятый тип - в афировых разностях, в нашем случае являющихся практически биминеральными обра зованиями. Проведенные исследования показывают, что при одном и том же химическом и минералогиче скомсоставехарактеристики акустической эмиссии в изученных гавайских базальтахобусловлены пре имущественно наличием вкрапленников, их размером, составом и состоянием, строением основной массы и соотношением составляющих ее минералов, структуры пород, размеров кристаллов, вторичных измене ний, пористости и заполнения пор.Авторы считают принципиальным изучать влияние структуры на АЭ в породах одного и того же минерального состава, и не проводить подобный сравнительный анализ поведе ния АЭ, например для интрузивных и осадочных образований.

УДК 550. Троянов А.К., Астраханцев Ю.Г., Начапкин Н.И., Вдовин А.Г., Баженова Е.А.

О МОДУЛЯЦИИ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ ДЕФОРМАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПО НА БЛЮДЕНИЯМ В СКВАЖИНАХ Институт геофизики УрО РАН г. Екатеринбург, ул. Амундсена Тел.: (343) 267 - 9559;

e-mail: nachapkin@mail.ru Приведены результаты экспериментальных исследований временной изменчивости сейсмоакустической эмис сии в двух скважинах на Камчатском геодинамическом полигоне. Приведены амплитудно-частотные спектры сигналов сейсмоакустической эмиссии (САЭ) и электромагнитного излучения (ЭМИ), показано их согласован ное изменение на периодах, тождественных периодам штормовых микросейсм Спектрально-временной анализ данных позволил выявить периоды колебаний в диапазоне 2 - 10 с, 10-20 с и более в скважинах Камчатского геодинамического полигона.

Характерной особенностью спектрального состава низкочастотных шумов Земли является наличие двух максимумов в диапазоне периодов 4 – 10 с и 12 – 20 с [1]. Микросейсмы, относящиеся к первому и второму спектральным максимумам, называют соответственно микросейсмами первого и второго рода. В вопросе о причине микросейсм большинство исследователей придерживаются единой точки зрения, счи тая, что микросейсмы первого и второго рода возникают преимущественно в результате передачи энергии морских волн в земную кору.

Периоды морских волн не определяют полностью периодов микросейсм, а являются лишь одним из многих факторов, влияющих на спектр микросейсм. Отношение периодов морских волн к периодам мик росейсм фактически варьируют в весьма широких пределах. Форма спектра микросейсм определяется главным образом строением земной коры на пути распространения и в пункте наблюдения микросейсми ческих волн, спектром морского волнения и глубиной воды в зоне образования микросейсм.

Проблема исследования явления модуляции сейсмоакустической эмиссии (САЭ) и электромагнит ного излучения (ЭМИ) горных пород низкочастотными деформационными процессами, обусловленными штормовыми микросейсмами первого и второго рода представляется актуальным.

Известно, что процесс трещинообразования сопровождается сейсмоакустической эмиссией, а при возникновении электрических зарядов на границе разрыва берегов трещины – электромагнитным излуче нием. Однако наличие сейсмоакустического излучения не означает, что оно должно обязательно сопрово XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика ждаться интенсивным электромагнитным излучением, поскольку в разных условиях релаксация электри ческих зарядов происходит с учетом свойств, характеризующих электропроводность среды. С другой сто роны, электромагнитное излучение более чувствительно к деформациям пород, потому что, прежде чем произойдет хрупкий разрыв, идет разделение электрических зарядов расходящихся берегов трещины. В объеме геосреды это создает интегральный сигнал, который и является характеристикой ЭМИ, поэтому электромагнитное излучение не всегда сопровождается регистрируемой сейсмоакустической эмиссией.

САЭ и ЭМИ горных пород изменяются во времени. Это фиксируется по контрольным измерениям в течение суток, недель, через месяцы и годы [2]. Выявление скрытой периодичности во временных вариа циях дает представление о характере деформационных процессов и их физической природе.

На рис.1а приведен пример временных непрерывных измерений САЭ и ЭМИ в скважине Родыгино (Камчатский геодинамический полигон), на рис.1б - фрагменты совмещенных по периодам амплитудно частотных спектров САЭ и ЭМИ в точках 1-6, полученных при обработке непрерывных измерений сигна лов в течении 7 минут. В диапазонах выделенных фрагментов спектров САЭ и ЭМИ наблюдается их со гласованное изменение на периодах, тождественных периодам штормовых микросейсм. А это означает, что деформационные процессы в выделенных периодах наглядно отражаются в полях различной физиче ской природы. Частотный состав сигналов меняется, что свидетельствует о динамике изменения механи ческих свойств геосреды.

Рис.1 а)Пример временных непрерывных измерений сейсмоакустической эмиссии (Н4) и электромагнитного излучения (F3) в скважине Родыгино, на глубине 794м (Камчатский геодинамический полигон, 2010г.);

б) фрагменты совмещенных по периодам спектров сигналов САЭ и ЭМИ Форма спектра микросейсм определяется главным образом строением земной коры на пути распро странения и в пункте наблюдения микросейсмических волн, спектром морского волнения и глубиной во ды в зоне образования микросейсм.

На основе полученных данных был проведен спектрально-временной анализа сигналов САЭ и ЭМИ в скважинах Камчатского геодинамического полигона (рис.2). В результате анализа временных вариации амплитудного уровня в скважинах выделены периоды колебательных движений геосреды тождественные XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика штормовым микросейсмам I и II рода (4-10 сек., 10-20 сек. и более), т.е. наблюдается модуляция САЭ и ЭМИ штормовыми микросейсмами.

Рис.2. Диаграммы спектрально-временного анализа по данным измерений в скважинах Родыгинская и Термальная (Камчатский геодинамический полигон).

Показано, что эффект модуляции САЭ и ЭМИ в скважинах природными деформационными процес сами позволяет получать информацию о их влиянии на геосреду. Регистрация сигналов САЭ и ЭМИ спо собствует выделению в скважинах зон высокой тензочувствительности, благоприятных для обнаружения эффектов модуляции сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии, в частности, обусловленные штормовыми микросейсмами с периодами 4 – 20 с и более, которые проявляются в полях различной фи зической природы. Актуальность полученных результатов заключается в возможности создания на их базе нового метода контроля и оценки современного динамического состояния объёма геосреды.

ЛИТЕРАТУРА 1. Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли.// ОткрытиявСССРв 1983. /М., ВНИЦПИ, 1984, с. 14-18.

2. ТрояновА.К., член-корреспондентРАНМартышкоП.С., ДьяконовБ.П., АстраханцевЮ.Г., НачапкинН.И., Бе логлазоваН.А., БаженоваЕ.А., Вдовин А.Г. Лунно-солнечные приливные деформационные процессы и сейс моакустическая эмиссия в объеме геосреды.// Доклады академии наук, 2011, том 439, № 1, с. 1-4.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика УДК 550. Троянов А.К., Астраханцев Ю.Г., Начапкин Н.И., Баженова Е.А., Вдовин А.Г.

ЯВЛЕНИЕ МОДУЛЯЦИИ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИЛИВНЫМИ ДЕФОРМАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ Институт геофизики УрО РАН г. Екатеринбург, ул. Амундсена Тел.: (343) 267 - 9559;

e-mail: nachapkin@mail.ru Рассмотрены результаты экспериментальных исследований временных вариаций сейсмоакустической эмиссии (САЭ) и приливных приращений силы тяжести g. Показано, что имеется связь между временными изменениями САЭ g. Ре и зультаты измерений показали, что влияние лунно-солнечных приливных деформационных процессов вызывает появление на больших глубинах во временных вариациях САЭ суточных и полусуточных периодов.

Открытие явления модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли деформационными процессами различной природы [1] позволяет объяснить причины возникновения наблюдаемых перио дичностей уровня сейсмоакустических шумов. Выявление скрытых периодичностей в вариациях уровня сейсмоакустических шумов показывает, что они обусловлены такими низкочастотными деформационны ми процессами, как собственные колебания Земли, штормовые микросейсмы, интенсивные сейсмические волны от землетрясений и земные приливы.При всем многообразии деформационных процессов в земной коре обращает на себя внимание наиболее заметный и контролируемый из них приливный лунно солнечный деформационный процесс (относительные деформации 10–6–10–8). Воздействие приливных деформационных процессов на периодичность вариаций физическиххарактеристик массива горных пород ранее рассматривалось в [2–4]. В работе [5] отмечены колебания скорости прохождения упругих волн че рез массив горных пород с периодами 0.5, 1.0, 5.0, 9.5 и 14 сут. Это свидетельствует о том, что напряжен ное состояние массива пород изменяется от приливного воздействия с известной периодичностью от по лусуточной до двухнедельной. Неоднородности земной коры существенно влияют на величину прилив ных деформаций. Амплитуды приливных волн в зонах разломов оказываются больше, чем на платфор менных или монолитных участках. По мнению авторов [1], имеющиеся данные о суточных и полусуточ ных периодах в спектрах вариаций высокочастотных микросейсм указывают на их связь с приливными деформационными процессами. По данным [6] приливные деформации на станции Токтогул примерно в 1.5 раза интенсивней деформаций, регистрируемых на консолидированном участке пород.

Изучение связи между приливными деформационными процессами и сейсмоакустическим откли ком геосреды считается актуальной задачей по многим причинам. Во-первых, в связи с открытием явле ния модуляции высокочастотных сейсмических шумов длиннопериодными деформационными процесса ми, в том числе приливными [1], появилась возможность по известным периодичностям деформационных процессов выделять в вариациях амплитудного уровня сейсмоакустической эмиссии (САЭ) аналогичные периоды. Во-вторых, уровень сейсмоакустического отклика геосреды на воздействие приливных дефор мационных процессов позволяет оценить физико-механические свойства слагающих массив горных пород и их изменение во времени. В-третьих, зависимость некоторых геодинамических процессов от лунно солнечных приливов можно использовать для оценки динамической активности различных геоструктур.

Энергетический и временной масштаб проявления в земной коре действующих сил эндогенной и экзогенной природы колоссален — от перемещения литосферных плит и катастрофических землетрясений до современных вертикальных движений земной коры и микроземлятресений. Исследование деформаци онных процессов является сложной задачей, так как большинство применяемых сейчас методов дает ин формацию о деформациях в поверхностном слое. Но в условиях неоднородной, иерархически блочной структуры земной коры такие наблюдения не раскрывают достаточно полно распределение деформаций, связанных с накоплением и релаксацией напряжений во внутренних точках среды. С другой стороны, из вестно, что в механизме деформирования горных пород определяющая роль принадлежит разрушению. А разрушение, т.е. образование разрывов, трещин, трение в твердых телах, в том числе и в горных породах, сопровождается акустической эмиссией. Поэтому пространственно-временное распределение САЭ в скважинах несет существенную информацию о деформационных процессах в земной коре, непосредст венно отражающих как действующие напряжения, так и структуру изучаемого горного массива [7, 8].

Известные эксперименты на образцах горных пород показывают, что с возрастанием всестороннего давления уменьшается число трещин, повышается прочность пород, а также четко проявляется эффект Кайзера [9]. В реальных условиях в верхней части земной коры наблюдаются существенные отклонения от этих закономерностей, что обусловлено рядом причин, в том числе непрерывными физико химическими процессами в проницаемых, заполненных флюидами и газами горных массивах. Это прояв XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Геоакустика ляется во временных вариациях амплитудного уровня САЭ, в том числе и на больших глубинах. Проч ность хрупких пород хорошо аппроксимируется модифицированным условием Кулона—Мора [10] где c – сцепление пород, f – коэффициент трения при сдвиге, n и P – нормальное напряжение и давление в жидкости, заполняющей трещину.

Когда f мало, а n и P близки, что выполняется в замкнутых объемах, то на больших глубинах, то на больших глубинах прочность на сдвиг будет в основном определяться сцеплением пород. Как показывают лабораторные эксперименты, оно растет с давлением, так как с давлением уменьшаются размеры де фектов и увеличиваются упругие модули. Но напряжение на разрыв будет расти только в том случае, ко гда поверхностная энергия не будет эквивалентно уменьшаться. На самом деле с глубиной флюиды могут понижать свободную поверхностную энергию трещин. Кроме того, прочность связей может уменьшаться за счет эффекта Ребиндера, что учитывается, например, в модифицированной формуле Гриффитса [11]:

где G – модуль сдвига, – плотность поверхностной энергии, l – критическая длина трещин, – коэффи циент Пуассона, pl– напряжение растяжения Ребиндера в вершине трещины. В понижение прочности по род вносят также свой вклад коррозия под напряжением, электрохимические процессы и, наконец, рост температуры с глубиной. Отсюда видно, что в земной коре существуют различные процессы, воздейст вующие на литостатическое давление, и пока породы остаются хрупкими, существуют условия, при кото рых приливные деформационные процессы могут отражаться в изменениях амплитудного уровня САЭ.

В представленных исследованиях САЭ применялся скважинный вариант наблюдения как более по мехоустойчивый. Для проведения измерений использовали комплекс аппаратуры с полосой частот 20— 5000 Гц, включающий скважинный прибор с датчиками-акселерометрами для измерения трех компонент упругих колебаний (вдоль скважины и в плоскости, перпендикулярной ее оси) [12]. Переход к измерениям в скважинах вызван необходимостью избавиться от помех различной природы, возникающих на земной поверхности. К тому же не было сведений о том, как на значительных глубинах в условиях больших лито статических давлений проявляется лунно-солнечный деформационный процесс.

Анализ спектров временных вариаций САЭ и приливных приращений силы тяжести gпоказал, что каждый временной интервал наблюдений может характеризоваться присущим только ему определенным соотношением амплитуд суточной и полусуточной периодичности. При этом изменение амплитуд при ливных волн на спектрах gобусловлено особенностями приливного цикла, а на спектрах САЭ — реакци ей геосреды.

Характер связи временных вариаций САЭ с земными приливами оценивался следующим способом.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.