CC BY
49
Режимы отклика геологических сред при динамических
воздействиях
С.Г. Псахье, В.В. Ружич1, О.П. Смекалин1, Е.В. Шилько
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033, Россия
На основе результатов геофизических исследований и моделирования методом подвижных клеточных автоматов анализируются режимы отклика геологических сред при динамических воздействиях. Предложен возможный механизм “замедленной” скорости распространения неупругих деформационных возмущений, связанный как со стесненными условиями деформирования, так и со структурными особенностями высоконарушенной и энергетически активной геосреды.
1. Введение
Хорошо известно, что вибрационные, взрывные и импульсные воздействия на твердые среды (в том числе геологические) ведут к “быстрому” упругому отклику, который иногда может сопровождаться динамическими явлениями, имеющими негативные последствия вплоть до катастрофических [1-4]. Причина быстрого отклика заключается в том, что возмущения, инициированные как внешними воздействиями, так и последующими внутренними изменениями (локальными деформациями, генерацией повреждений и трещин), распространяются со скоростями, характерными для упругих волн. Это явление хорошо известно и справедливо для любых твердых сред.
Тем не менее, при проведении высокоточных инструментальных измерений режима микросмещений в зонах разломов Прибайкалья в условиях натурного геофизического эксперимента с применением специально разработанного измерительного комплекса “Сдвиг”, наряду с линейным упругим откликом было зарегистрировано иное явление, а именно: весьма заметное запаздывание реакции на производимые динамические воздействия [5, 6]. Данное явление было отмечено практически во всех многочисленных натурных геофизических экспе-
риментах. Проведенный анализ литературных данных также указывает на то, что и в другом масштабе динамических воздействий на массивы горных пород в виде химических и ядерных взрывов, сильных землетрясений, колебаний от мощных вибраторов также проявляются признаки запаздывания реакции геологической среды. Возникло предположение о распространении от источника возмущений так называемых “медленных волн”, волн деформаций [7, 8]. Физическая природа этих волн не может быть чисто упругой, поскольку их скорости несоизмеримо меньше характерных скоростей прохождения упругих волн.
В настоящей работе рассматриваются примеры регистрации подобных явлений при проведении экспериментов и сделана попытка выяснения механизмов формирования и распространения возмущений с малыми скоростями при использовании метода подвижных клеточных автоматов. Данный метод основан на дискретном подходе и интенсивно развивается в последние годы [9, 10]. Он позволяет явным образом описывать формирование несплошностей различного типа (от генерации повреждений до распространения магистральных трещин), что делает его уникальным инструментом для изучения отклика геологических сред при динамических воздействиях.
© Псахье С.Г, Ружич В.В., Смекалин О.П., Шилько Е.В., 2001
Рис. 1. Записи инициированных импульсов смещений, полученных от трех датчиков, расположенных в разломе и удаленных от взрывной камеры на разные расстояния. Интервал между моментом взрыва (13 ч 37 мин) и временем вступления первых импульсов смещений составляет порядка 21 мин, что соответствует времени задержки отклика на инициацию
2. Некоторые результаты проведения натурных геофизических экспериментов
Чтобы приблизиться к пониманию механизмов, определяющих запаздывание реакции на динамические воздействия в геологических средах, приведем описание одного из проведенных экспериментов, в ходе которого осуществлялась инициация отклика с помощью небольшого камуфлетного взрыва с энергией 105 Дж. Взрывная камера располагалась в скальном массиве на глубине 1.5 м от поверхности и на удалении 2 м от зоны изучаемого разрыва с протяженностью порядка 75 м. В плоскости разлома располагались три пары датчиков на удалениях от места взрыва, равных 14, 18 и 25 м. Примечательно то, что реакция всех датчиков проявилась в виде серии крупных импульсов, возникших практически одновременно, о чем можно судить по записям инициированных импульсов смещений на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что длительность отдельных импульсов смещений составляет 3-5 с. В целом, общее время иницированного взрывом возмущения в режиме микросмещений соответствует примерно часовому интервалу.
Следует отметить, что дальний датчик Х3 “среагировал” даже несколько ранее, чем ближние датчики X1 и X 2. Очевидно, что если бы отклик на взрыв в полной мере соответствовал механизму “замедленного” распространения волны напряжений и деформаций, то быстрее среагировали бы ближние датчики. Данный результат скорее можно интерпретировать как указание на проявление в разрывных нарушениях собственных
колебательных движений, определяемых параметрами напряженного состояния среды и ее реологическими свойствами.
Оценки, сделанные на основе данных, полученных в ходе проведения натурных геофизических экспериментов, при разных условиях нагружения, состояния среды и распределения разрывных нарушений, позволяют оценить порядок скоростей распространения инициирующих возмущений от источника колебаний до места регистрации отклика в разрывных нарушениях —
0.12-39.3 мм/с.
3. Компьютерное моделирование режимов отклика механически стесненных сред
Известно, что принципиально важной особенностью реальных геологических сред являются механически стесненные условия, в которых находится каждый внутренний объем материала. Отклик стесненной среды на внешнее нагружение может принципиально отличаться от поведения тестовых образцов со свободной боковой поверхностью. Поэтому в настоящей работе механическое стеснение учитывалось явным образом (см. схему на рис. 2). Нагружение тестируемого образца осуществлялось движением поршня с постоянной скоростью. Нижняя часть моделируемого объема фиксировалась неподвижной плитой. Прилегающий к боковой поверхности образца слой имитировал реальное окружение внутреннего объема среды. Внешняя поверхность прилегающего слоя фиксировалась. Механические свойства материала окружающего слоя характеризовали степень стеснения нагружаемого образца. Модуль Юнга образца Е0 полагался 200 ГПа, а модуль окружающего слоя Е8 изменялся в диапазоне от 50 до 900 ГПа.
Результаты моделирования показали, что отклик материала, находящегося в стесненных условиях, в значительной степени определяется свойствами окружения.
опорная плита
Рис. 2. Схема нагружения
Рис. 3. Стадии разрушения при Ев = 0.4Е0
Рис. 4. Стадии разрушения при Е5 = 4.5Ео
При этом, в зависимости от модуля Юнга окружающего слоя Е5, можно выделить три характерных режима поведения исследуемого объема:
1. Типично хрупкое разрушение (0 < Е5 < 0.4 Ео) характеризуется образованием магистральной макротрещины на одной из боковых поверхностей и ее распространением через образец с большой скоростью. Характерные особенности такого поведения хрупкого материала описаны в [11, 12].
2. Переходный режим разрушения (0.4 Ео < Е5 < < Ео) связан с генерацией и развитием повреждений и трещин мезомасштаба. На рис. 3 показана эволюция образца с соотношением Е5 =0.4 Ео. Под термином ме-зомасштабные трещины будем понимать неразвив-шиеся магистральные трещины. Подобные трещины явно выражены, например, на рис. 3, а, б. Видно, что на этой стадии множество мезомасштабных трещин генерируется вблизи поверхности образца. Вследствие стесненных условий нагружения мезомасштабные трещины не развиваются в магистральные, хотя такая тенденция хорошо прослеживается. По этой же причине формируются многочисленные повреждения. Тем не менее, жесткость окружающего слоя Е5 недостаточна для того, чтобы полностью блокировать развитие магистральной трещины (рис. 3, в, г).
Следует отметить следующие изменения в отклике образца при повышении Е5 в рамках диапазона от 0.4 Ео до Ео:
а) падает скорость распространения магистральных трещин (до 20 раз);
б) возрастает число повреждений, возникающих на стадии до прохождения магистральной трещины.
Тем не менее, в данном интервале изменения Е3 процентное содержание повреждений относительно невелико (<15 %).
3. Деградационныш режим разрушения (Е3 > Ео) характеризуется двумя явно выраженными стадиями.
Первая стадия определяется релаксацией локальных концентраторов напряжений. На этой стадии формируются и растут области повреждений (рис. 4, а, б). Хорошо видно, что зоны повреждений развиваются от границы раздела образца и окружающего слоя.
На второй стадии внутренние трещины инициируются в зонах повреждений. Эти трещины растут и развиваются в магистральные (рис. 4, в, г). При этом скорость распространения таких трещин в 50-100 раз меньше, чем в случае типично хрупкого разрушения. Это, по-видимому, связано с тем, что при разрушении в деграда-ционном режиме трещины прорастают через области с высоким процентом повреждений.
На рис. 5 показана зависимость скорости роста трещин Уст от отношения Е5/Ео. Хорошо видно, что смена режима разрушения от хрупкого к деградационному ведет к катастрофическому падению скорости роста трещин. Переход между всеми тремя режимами разрушения также достаточно ярко выражен.
4. О возможных механизмах распространения медленных возмущений в геосредах
Реальная земная кора представляет собой выраженную неоднородную среду, внутренние объемы которой находятся в стесненных условиях. Вследствие этого при динамических воздействиях условия нагружения, моделируемые в настоящей статье, возникают локально в
Рис. 5. Зависимость скорости роста трещин Уа от Еа
различных областях геологической среды. Это означает, что в зависимости от свойств локального окружения может реализоваться один из трех описанных выше режимов отклика.
В частности, когда эффективный модуль Юнга в какой-либо из областей деградации понизится до значения ас Ео (в рассмотренных тестах ас = 0.4), возникнут условия для распространения трещины. Другими словами, резко изменится механизм отклика системы и произойдет переход от режима деградации, т.е. от режима, связанного с достаточно медленным зарождением и развитием зон повреждений, к формированию и быстрому росту трещин различного масштаба (режим 1, согласно классификации выше). Таким образом, перераспределение упругой энергии в блоках земной коры может приводить к последовательному переключению описанных выше двух механизмов: а) относительно медленного роста зон деградации; б) генерации трещин различного масштаба. Схематически последовательность событий показана на рис. 6. Следует отметить, что подобные возмущения распространяются не фронтальным путем, а как последовательность пространственно-распределенных событий, связанных посредством упругих полей. Причем последовательность вовлечения различных областей определяется многими факторами, включая строение геологической среды. Множества деградированных зон (областей с высокой концентрацией повреждений) формируют в земной коре виртуальные комплексы, которые осуществляют формирование и распространение с низкой скоростью описанных выше возмущений на некотором удалении от источника.
Следует отметить, что при анализе отклика геосреды на воздействия, вызванные тектоническими (либо дру-
гими) процессами, необходимо учитывать колоссально высокий уровень закачанной упругой энергии. Это ведет к тому, что элементы земной коры вблизи неоднородностей различного типа (особенно в зонах повреждений или разломов) реально находятся не только в сложных условиях нагружения, но и подвержены крайне высоким нагрузкам. Величина таких нагрузок может существенно превышать прочность геоматериалов, но процессы разрушения блокируются стесненными условиями.
5. Заключение
Таким образом, в настоящей работе показано, что один из возможных механизмов “замедления” скорости распространения деформационных возмущений может быть тесно связан с несплошностью горных массивов и земной коры в целом. При прохождении пакетов упругих волновых колебаний широкого спектрального диапазона через высоконарушенную (дискретную), флюидонасыщенную, энергетически активную геосреду возникает их физико-механическое взаимодействие с трещинами и разломами различного иерархического уровня, заполненными, как правило, пластическим продуктами разрушения. Как следует из проведенных наблюдений, разломы с подобным заполнителем способны активно, но с некоторым запаздыванием, реагировать на вибрационные воздействия и сами, в свою очередь, развиваться. При этом они могут вносить деформационные изменения в геосреду и излучать соответствующие возмущения, не свойственные первоначальному источнику. Этот фактор был также инструментально зарегистрирован на полигоне в п. Листвянка в ходе проведения экспериментов с использованием спектров геоакустических измерений микросейсмического шума [5]. Вследствие подобного динамического воздействия акцент реактивности геосреды смещается в диапазон более “медленных” вязкопластических процессов релаксации за счет кооперативного взаимодействия многочисленных многоуровневых геоструктурных элементов, активизированных внешними вибрационными воздействиями.
Очевидно, что при изучении закономерностей поведения таких сложных иерархически организованных систем, как геологические среды, без сомнения перспективным является применение методов и средств физической мезомеханики [13, 14].
В заключение следует подчеркнуть, что одной из основных целей данной работы также было привле-
Рис. 6. Схематическое изображение последовательного формирования поврежденных областей и генерации трещин в различных зонах среды
чение внимания специалистов различного профиля к более углубленному выяснению механизмов возникновения и распространения “медленных волн”. Авторы надеются, что приведенные в работе сведения достаточны для постановки проблемы специального изучения подобных явлений.
Литература
1. Сырников Н.М., Тряпицът В.М. О механизме техногенного землетрясения в Хибинах // Докл. АН СССР. - 1990. - Т. 314. - № 4. -С. 830-833.
2. Барош П. Поверхностные движения по разлому, вызванные подзем-
ными ядерными взрывами на Юкка Флет (Невадский полигон США) // Сб.: Наведенная сейсмичность. - М.: ОИФЗ РАН, 1994. -С. 121-127.
3. Николаев А.В., Верещагина Г.М. Об инициировании землетрясений
подземными ядерными взрывами // Докл. АН СССР. - 1991. -Т. 19. - № 2. - С. 333-341.
4. Николаев А.В. О возможности снижения опасности инициирования
сильного землетрясения // Сб. докл.: Память и уроки Нефтегорского землетрясения, 24-25 мая 2000 г., Южно-Сахалинск. -М.: ПОЛТЕКС, 2000. - С. 93-95.
5. Ружич В.В., Трусков В.А., Черных Е.Н., Смекалин О.П. Современные движения в зонах разломах Прибайкалья и механизмы их инициирования // Геология и геофизика. - 1999. - Т. 40. - № 3.-С. 360-372.
6. Ружич В.В., Пономарев Е.А., Черных Е.Н. Пассивный и активный
мониторинг движений в зонах разломов Прибайкалья // Матер.
межд. геофизич. конф. “Сейсмология на рубеже тысячелетий”, 2729 сент. 2000 г. - Новосибирск: ОНГГиМ СО РАН, 2000. - С. 98201.
7. Уломов В.И Синоптический долгосрочный прогноз сейсмической обстановки // Докл. АН УзССР. - 1987. - № 6. - С. 47-48.
8. Невский М.В., Артамонов А.М., Ризниченко О.Ю. Волны деформаций и энергетика сейсмичности // Докл. АН СССР. - 1991. -Т. 318. - № 2. - С. 316-320.
9. Boucher G., Ryall A., Jones A.E. Earthquakes associated with underground nuclear explosions // J. Geophiys. Res. - 1969. - 74. - Р. 38083820.
10. Псахъе С.Г., Хори Я., Коростелев С.Ю., Смолин А.Ю., Дмитриев А.И., Шилъко Е.В., Алексеев С.В. Метод подвижных клеточных автоматов как инструмент для моделирования в рамках физической мезомеханики // Изв. вузов. Физика. - 1995. - № 11. - С. 5869.
11. Псахъе С.Г., Коростелев С.Ю., Смолин А.Ю., Дмитриев А.И., Шилъко Е.В., Моисеенко Д.Д., Татаринцев Е.М., Алексеев С.В. Метод подвижных клеточных автоматов как инструмент физической мезомеханики материалов // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. -№ 1. - С. 95-108.
12. Дмитриев А.И., Коростелев С.Ю., Остермайер Г.П., Псахъе С.Г., Смолин А.Ю., Шилъко Е.В. Метод подвижных клеточных автоматов как инструмент для моделирования на мезоуровне // Известия РАН. Мех. твердого тела. - 1999. - № 6. - С. 87-94.
13. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
14. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
