Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Лабораторные исследования предвестников разрушения для целей прогноза землетрясений 8
Глава 2. Моделирование очагов землетрясений на блоках горных пород и модельных материалов 19
2.1. Вариации скоростей упругих волн 19
Эксперименты на больших водонасыщенных блоках мрамора и известняка 22
2.2. Вариации электросопротивления 29
Измерения на больших водонасыщенных блоках 30
Измерения на большой модели из бетона 32
Эксперименты на малых моделях из бетона 34
2.3. Естественные электрические потенциалы 38
Выводы 38
Глава 3. Формирование и эволюция очагов разрушения по акустическим данным . 39
3.1. Структура акустического режима 41
Методика эксперимента 42
Первичная обработка и селекция каталогов акустических событий 45
Методики анализа данных 46
Результаты 50
Обсуждение результатов 53
Временные вариации фрактальной структуры акустического режима 57
3.2. Стадии подготовки макроразрыва и кластеризация акустической эмиссии 60
Энергетика акустической эмиссии при формировании очага макроразрушения 60
Поле одиночных акустических событий и кластеров 63
Динамика кластеризации 65
3.3. Подобие лабораторных экспериментов и полевых наблюдений 69
Выводы 77
Глава 4. Триггерные воздействия на подготовку разрушения 79
4.1. Инициирование динамической подвижки на контакте блоков упругим импульсом 79
Методика исследования 80
Результаты 81
Обсуждение результатов 83
4.2. Инициирование неустойчивости на контакте блоков вибрацией ..86
4.3. Развитие неустойчивости в моделях разломной зоны при вибрации 92
Методика 93
Асимметрия фаз сжатия-растяжения циклов вибрации 95
Искажение формы импульса прозвучивания 97
Обсуждение результатов 97
4.4. Возбуждение акустической эмиссии упругими импульсами 99
Методика 99
Результаты 101
Обсуждение результатов 102
4.5. Изменение акустической активности электрическим воздействием 105
Методика исследования и технология экспериментов 106
Основные результаты 107
Обсуждение 108
Глава 5. Анализ комплекса геофизических полей для обнаружения пространственно-временных предвестников землетрясений
5.1. Структура временных рядов и методика обработки данных 112
Постановка проблемы 113
Оценки размерности аттрактора по временной реализации 116
5.2. Интерпретация геофизических данных с использованием динамических полей для построения прогнозных оценок 120
Исходные материалы и методика их анализа 121
Таншаньское землетрясение 126
Датонское землетрясение 127
Моделирование эпицентрального предвестника 128
Заключение 133
Литература 136
- Лабораторные исследования предвестников разрушения для целей прогноза землетрясений
- Вариации электросопротивления
- Первичная обработка и селекция каталогов акустических событий
- Инициирование неустойчивости на контакте блоков вибрацией
Лабораторные исследования предвестников разрушения для целей прогноза землетрясений
Лабораторные исследования в интересах прогноза землетрясений начались в Институте физики Земли в 50-х годах, по инициативе академика Г.А.Гамбурцева, после катастрофического Ашхабадского землетрясения 1949 г. Под руководством Ю.В.Ризниченко были поставлены первые эксперименты с «сейсмологическим уклоном», в которых очаг землетрясения имитировался трещиной сдвига и исследовались вариации напряженного состояние и акустической активности деформируемых образцов горных пород. Спустя десять лет, после периода некоторого затишья, исследования процессов подготовки землетрясения, инициированные и поддержанные М.А.Садовским, возобновились довольно широким фронтом. Под руководством и непосредственном участии В.И.Мячкина, Б.В.Кострова, Г.А.Соболева, О.Г.Шаминой, Н.В.Шебалина, К.И.Кузнецовой, С.Д.Виноградова, О.И.Силаевой и других ведущих ученых были начаты комплексные лабораторные и теоретические работы в рамках программы поисков предвестников землетрясений, разработанной в ИФЗ в 1965 г. К этому времени складывается научное направление «физика очага землетрясений», содержание которого составляет физика разрушения горных масс в условиях земных недр. Очаг землетрясения рассматривается в рамках этого направления как динамический разрыв сплошности геологической среды под действием напряжений, накопленных при сдвиговых тектонических деформациях. [Физика очага..., 1975; Костров, 1972]. Мы будем придерживаться именно такого подхода, который позволяет естественным образом использовать в задачах физики землетрясений основные положения механики разрушения. В основе схемы процесса подготовки землетрясения лежит представление о возникновении и развитии трещин, которые закономерным образом взаимодействуют в результате относительно медленных пространственно-временных изменений напряженного состояния, меняя свойства среды и порождая вариации физических полей. Обобщенная картина трещинообразования в образцах горных пород при лабораторных испытаниях на сжатие была предложена В.Брейсом [Brace, 1971], согласно которой интенсивный рост микротрещин начинается после упругой стадии реологической кривой; далее, при достижении критического напряжения, возникают более крупные, магистральные трещины, которые разрушают образец. При его частичном разрушении возможно упрочнение материала вследствие трения с последующим скольжением по разрыву. Заметим, что именно стадия падающей нагрузки, непосредственно связанная с образованием макротрещин, представляет наибольший интерес в практических задачах физики очага.
Собственно факты укрупнения трещин в различных твердых телах перед их разрушением были выявлены экспериментально, после того как появились технологии прямых оценок геометрических параметров ансамблей микротрещин в нагружаемых материалах [Куксенко и др., 1975; Hadley, 1976; Соболев, Кольцов, 1980; Kranz, 1983; .Wong, 1985; Moore, Lockner, 1995]. В результате массового микроскопического анализа размеров трещин, образующихся в идентичных образцах гранита при различном дифференциальном напряжении было показано [Homand et al, 2000], что максимальная длина образующихся трещин возрастает с ростом напряжения в существенно большей степени, чем средняя и минимальная длина дефектов. Учитывая также значительный рост общего числа микротрещин, можно сделать вывод о возникновении более крупных разрывов за счет слиянии относительно мелких при взаимодействии их полей напряжений. Важно отметить, что в направлении оси максимального приложенного напряжения тенденция увеличения размера трещин выражена более отчетливо. Это качественно согласуется с моделью магистральной трещины сдвига, состоящей из чередующихся элементов отрыва, направленных вдоль оси сжатия и соединяющих площадок скола, ориентированных под углом до 45 к этой оси [Ставрогин, Тарасов, 2001].
В схеме В.Брейса не рассматривался детально механизм перехода от микро- к макротрещинам, что является ключевым моментом для построения моделей подготовки землетрясения. Такой механизм развит в Физико-техническом Институте РАН на основе анализа кинетики накопления микротрещин и выявления условий перехода к объемному макроразрушению твердых тел. Несмотря на существенные различия свойств испытуемых материалов было показано, что этот переход происходит при достижении некоторой предельной концентрации трещин N и может быть описан с помощью безразмерного концентрационного критерия разрушения Рк - ——, который отражает среднее расстояние между дефектами в единицах размеров самих дефектов /. [Журков и др., 1969; Журков и др., 1980]. Экспериментально подтвердилось, что концентрационный критерий вполне удовлетворительно описывает многоэтапный процесс накопления и укрупнения трещин в диапазоне по крайней мере 12 порядков их величины. В реальных условиях, вследствие структурной гетерогенности среды и неоднородного распределения напряжений, процесс разрушения протекает неравномерно и предельные концентрации трещин могут реализоваться лишь в некоторых областях, где и будет возникать макроразрушение. Отметим, что неоднородность напряженно-деформированного состояния геологической среды является одним из основных положений, на которых строятся гипотезы и модели подготовки землетрясений. Теоретические предположения о переходе от рассеянного, дисперсного накопления микротрещин к локализованному были подтверждены многочисленными экспериментами. Отметим прежде всего пионерские в этом отношении результаты опытов К.Моги и К.Шольца [Mogi, 1968; Scholz, 1968] и кластеризацию трещинообразования при деформировании больших блоков горных пород [Соболев и др., 1982]. Последующие эксперименты показали, что локализация трещин наблюдается в довольно узкой зоне, которая трассирует «поверхность» будущего крупного разрыва [Yanagidani et al, 1985; Hirata et al, 1987; Lockner et al, 1992].
Вариации электросопротивления
Закономерности изменения электрического сопротивления горных пород при различных деформациях и степени насыщения водой в условиях одноосного и всестороннего сжатия были экспериментально изучены в ставших классическими работах [Пархоменко, 1975; Brace and Orange, 1968; Morrow and Brace, 1981]. K.Moppoy и В.Брейс исследовали коэффициент усиления (amplification factor) изменений сопротивления при различной деформации среды, определив этот фактор как относительное изменение сопротивления при деформации 10 4. На большом объеме фактического материала было показано, что величина этого коэффициента (тензочувствительность) лежит в диапазоне 103 - 105 и сильно зависит от степени насыщения горной породы водой. Величина фактора усиления растет по мере уменьшения содержания флюида, достигает максимума и затем уменьшается. Было также обнаружено, что в диапазоне малых деформаций (10"4 и менее) относительные изменения сопротивления при разном уровне насыщения меняются на один - два порядка больше, чем при деформациях порядка 10 3. Таким образом, максимальные значения фактора усиления достигаются при относительно малых деформациях среды, и контролируются, главным образом, пористостью материала и степенью его насыщения флюидом.
Максимальные значения фактора усиления для лабораторных экспериментов составляют 10 . В реальных условиях содержание флюида в деформируемой среде не является в общем случае оптимальным для реализации максимальной тензочувствительности. Тем не менее, прямые оценки коэффициента тензочувствительности для массива относительно ненарушенных пород при полевых измерениях дают величины порядка 3x104, а для разломных обводненных зон этот коэффициент увеличивается даже до 10 (Авагимов, 1991). Таким образом, полевые измерения подтверждают, что тензочувствительность частично флюидонасыщенных пород существенно выше, чем относительно осушенных. Китайские исследователи провели измерения электросопротивления в шахтах, искусственно нагружая массив с помощью гидроподушек. При деформациях в диапазоне 10" - 10" они получили коэффициент тензочувствительности около 2x103 [Zhao Yulin et al., 1990]. Суммируя эти данные, можно ожидать, что изменения электросопротивления в природных условиях и при крупномасштабных экспериментах будут составлять 1-10%. Поведение электрического поля должно в какой-то степени отражать картину напряженно-деформированного состояния горной породы. Однако, нельзя ожидать строгой корреляции с механическими параметрами, так как электрическое поле обладает спецификой, а тензочувствительность его зависит от многих особенностей горной породы. При крупномасштабном моделировании землетрясений были поставлены электрические измерения во многих точках исследуемых блоков, что позволяло выявить особенности структуры и вариаций поля по поверхности и в объеме.
Уже упоминалось, что внутрипоровая жидкость играет существенную роль в подготовке разрушения и влияет на характеристики предвестников. В этой связи были исследованы изменения электрического сопротивления при нагружении крупных блоков горных пород, частично насыщенных водой [Sobolev et al, 1996]. Эти эксперименты, поставленные с использованием тех же методических приемов и той же аппаратуры, которые применялись и в полевых наблюдениях, показали, что по мере подготовки и развития внутреннего сдвигового разрушения, возникают аномалии кажущегося электрического сопротивления, аналогичные наблюдаемым в натурных условиях [Qian Jiadong et ai, 1993].
Для измерения вариаций кажущегося электрического сопротивления pt/p0 использовались две системы наблюдений - на постоянном и переменном токе. Система на постоянном токе включала 3 независимые группы электродов в верхней, центральной и нижней частях грани III (рис.2.5). Электроды диаметром 8 мм монтировались в лунках глубиной 5 мм. Каждая группа состояла из 2-х микроустановок Веннера, одна из которых была перпендикулярна оси нагружения, а другая располагалась под углом 45. В качестве измерительно-регистрирующего устройства использовался специализированный цифровой инструмент ZD-8, разработанный в Сейсмологическом институте Ланьчжоу (Китайское Сейсмологическое Бюро); такие же приборы используются и в практике режимных полевых наблюдений на прогностических полигонах в Китае. Измерения проводились по всем группам электродов каждые 20 мин.; ошибка измерений не превышала 1.5%.
Программируемая цифровая система для измерений на переменном токе включала генератор низкой частоты, коммутатор электродов, синхронные детекторы, мультиметр и сопряженный с ними персональный компьютер. Для этой системы на поверхность граней II и IV были нанесены полосовые питающие электроды, а на грани I располагались 10 поверхностных приемных электродов. В отверстиях-концентраторах на глубине около 20 см были дополнительно запрессованы электроды для внутреннего контроля области разрушения. Все электроды были изготовлены из графитовой пасты с добавлением парафина. Переходное сопротивление составляло около 100 кОм для мрамора и менее 10 кОм для известняка. Измерения проводились на частоте 83 Гц через каждые 135 с. Точность единичных измерений pt/p0 составляла около 0.5%.
Первичная обработка и селекция каталогов акустических событий
Хорошо известно, что хрупкие горные породы разрушаются при сжатии в результате развития макроразрыва. Детальное исследование кинетики этого процесса наталкивается на значительные трудности, во многом обусловленные свойством разрыва распространяться со скоростью близкой к скорости упругих волн, что приводит к почти мгновенному разрушению образцов малых размеров. Использование жестких нагружающих машин позволяет заметно увеличить устойчивость образцов на запредельной стадии деформирования за счет уменьшения количества упругой энергии, запасаемой в системе образец—машина в течение формирования разрыва [Wawersik, 1971, Peng, 1972, Ставрогин, 1985]. Однако даже в таких случаях многие кристаллические породы, в частности, гранит накапливают энергию достаточную для скоротечного и неконтролируемого разрушения. Другой подход заключается в том, чтобы обеспечить активный отвод энергии из нагружающей системы по мере роста разрыва, используя быстродействующие прессы с сервоконтролем и обратной связью по акустической активности (скорости АЭ). Такая технология была опробована в отдельных опытах [Terada, 1984] и в полной мере реализована в недавних исследованиях процесса подготовки разрушения на образцах гранита и песчаника [Lockner et al, 1991, 1992, Ponomarev et al, 1997]. В последних экспериментах удалось растянуть заключительную фазу формирования очага на десятки минут и устойчиво получать макроразрыв, рост которого можно считать квазистатическим.
В настоящей работе использованы данные, полученные в трех независимых опытах - АЕ36, АЕ39 и АЕ42.. Образцы цилиндрической формы диаметром 76.2 мм и длиной 190.5 мм, изготовленные из гранита Вестерли, деформировались одноосной нагрузкой в условиях постоянного всестороннего сжатия 50 МПа. Блок-схема устройства нагружения показана на рис.3.1. Шесть идентичных резонансных (около 0.5 МГц) пьзоэлектрических датчиков для приема акустических сигналов монтировались непосредственно на поверхности каждого образца по одной и той же винтовой схеме. Один из датчиков, расположенных в средней части, использовался в качестве управляющего для организации обратной связи, с помощью которой изменялась скорость нагружения в зависимости от текущей акустической активности. Пороговое значение скорости АЭ для использования в цепи обратной связи устанавливалось на уровне первых десятков событий в секунду и поддерживалась постоянным на протяжении всего опыта. Увеличение скорости АЭ сразу же приводило к замедлению осевой деформации вследствие уменьшения скорости движения поршня пресса или даже его обратного хода. Таким образом, нагружение велось в условиях относительно постоянной интенсивности АЭ. Быстродействие нагружающей системы - около 6 МПа/с было достаточным для того, чтобы обеспечить стабильный и контролируемый рост макроразрыва во всех экспериментах. Блок-схема установки для исследований акустической эмиссии. течение эксперимента при разных уровнях нагрузки с помощью четырех дополнительных пьзодатчиков, причем трассы ультразвукового просвечивания были ориентированы под углами 30, 50 и 90 к вертикальной оси образца. Это позволяло вычислить изменения скорости по мере нагружения в различных направлениях для последующего уточнения координат источников АЭ. Акустические события, имеющие невязку времен пробега более 5 мкс, исключались из общего каталога АЭ как имеющие слишком большую ошибку определения координат. Окончательная погрешность координат составляла 1 - 3 мм в зависимости от величины акустического события.
Полученные таким образом каталоги включали около 46000 надежно лоцированных событий для опытов АЕ36, АЕ42 и около 20300 событий для АЕ39. Энергетическая оценка акустического события определялась по амплитуде первого максимума сигнала. Амплитуды на различных датчиках приводились с учетом геометрического расхождения к расстоянию 10 мм от гипоцентра и, затем, усреднялись. Таким образом, оценка учитывала, в той или иной степени, эффекты анизотропии, геометрию регистрирующей сети и другие особенности среды и аппаратуры.
История нагружения образцов приведена на рис. 3.2а,б,в. В каждом опыте выделяются 3 стадии изменения нагрузки: рост дифференциального напряжения до значений, близких к максимальным; стадия почти постоянного напряжения; падение напряжения вследствие начала разрушения. В дальнейшем последние две стадии будем называть «плоской» и «падающей» частями кривой нагружения.
Ранее выполненный анализ пространственно—временных особенностей распределения АЭ показал, что очаг разрушения возникает в средней части образца, у его поверхности, после достижения максимальной нагрузки [Lockner et al, 1992]. До появления этого кластера микротрещины распределяются по объему образца довольно случайно. Затем разрушение локализуется в плоскости будущего разрыва, сопровождаясь резким падением осевой нагрузки и значительным усилением акустической активности. Разрыв прорастает через образец под углом 20- 25 к оси нагружения, а акустическая эмиссия постепенно затухает по мере замедления спада напряжения. Локация АЭ свидетельствует, что разрыв распространяется со скоростью первых микрон в секунду как тонкая, толщиной 1 - 5 мм, серповидная зона концентрации трещин. Характерная ширина зоны в направлении ее распространения составляет 10 - 30 мм, а протяженность области разрушения зависит от продолжительности ее формирования. Так, для образцов АЕ39 и АЕ42 этот размер составил 70 - 80 мм. После прохождения пиковой нагрузки при уровне 0.8 от максимального напряжения опыт прекращался: нагрузка снималась, в результате чего рост макроразрыва останавливался.
Если эксперимент не прекращали, разрыв продолжал расти, разделяя образец на два блока. В опыте АЕ36 разрыв достиг нижнего основания образца в интервале 31500 — 32500 с при нагрузке около 0.55 от максимальной, причем плоскость разрыва вышла на середину опорного пистона. Это обстоятельство вызвало новое увеличение напряжения (рис. 3.2в). Рост нагрузки продолжался около 1.5 часов (до 37500 с) и привел к образованию новых оперяющих макроразрывов в нижней части образца. Это сопровождалось интенсивной акустической эмиссией на заключительной стадии эксперимента (43000 — 46000 с). Кроме указанного оживления АЭ неоднократно наблюдались относительно небольшие, 30 — 40 МПа, и кратковременные сбросы напряжения, которые также сопровождались вспышками акустической активности (28400 с, 31600 — 32500 с, 44000 с). Эти явления указывают на то, что рост разрыва происходит довольно неравномерно, с ускорением и торможением, вследствие разрушения мелких неоднородностей среды.
Таким образом, если опыт АЕ36 демонстрирует полную и сложную эволюцию макроразрыва, то эксперименты АЕ39 и АЕ42 представляют, главным образом, начальную стадию его формирования. Для последних характерны почти в 5 раз более длительные стадии постоянного дифференциального напряжения, чем в опыте АЕ36. Это было обусловлено использованием более чувствительных пьезодатчиков и понижением порога скорости АЭ в цепи обратной связи. Соответственно, если в опыте АЕ36 на этой стадии было зарегистрировано около 1400 событий, то в опыте АЕ39 - 13000 событий и в опыте АЕ42 - 20000 событий.
Инициирование неустойчивости на контакте блоков вибрацией
Подготовка землетрясений протекает в условиях квазипериодических изменений напряженного состояния земной коры, вызванных, например, приливами и вариациями атмосферного давления. Исследование влияния периодических нагрузок на устойчивость горных пород в лабораторных условиях представляет в связи с этим значительный интерес. Мы попытались количественно оценить тригтерный эффект воздействия синусоидальных колебаний на подвижку типа "stick-slip", изменяя частоту, амплитуду и длительность воздействия [Sobolev, Ponomarev et al., 1996].
Все опыты были проведены в условиях двухосного сжатия на модели из двух блоков гранита, описанной в разделе 4.1 (рис.4.1). Эксперименты выполнены на серво-управляемом прессе «Инова» в Обсерватории «Борок» Объединенного Института физики Земли РАН. Всего проведено 38 экспериментов, каждый из которых состоял из 10-12 последовательно осуществлявшихся подвижек. Относительное перемещение блоков вдоль контакта за время одной неустойчивой подвижки составляло в среднем 1 мм. После каждого эксперимента модель разбиралась для очистки поверхности и приведения взаимного положения блоков в исходное состояние.
Значения вертикальной нагрузки F и расстояния между нижним и верхним пуансонами пресса регистрировались с дискретностью 1с на персональном компьютере. Вдоль контакта были наклеены два датчика регистрации взаимного перемещения берегов блоков D, представляющие собой пружины с тензодатчиками. Данные о перемещении D регистрировались на персональном компьютере с частотой дискретизации 10 мс (низкочастотный канал ) и 10 мкс (высокочастотный канал). Кроме того, вдоль контакта размещались 3 пьезокерамических приемника поршневого типа диаметром 15 мм с собственной частотой 0.1 МГц (рис.4.8). Принимаемое ими при неустойчивой подвижке излучение упругих колебаний (микроземлетрясение) регистрировалось с помощью цифровых осциллографов и персонального компьютера с частотой дискретизации от 2 до 10 мкс.
Эксперименты без дополнительной вибрации проводились при постоянной скорости относительной деформации є - 5-Ю-6 с"1. Они чередовались с опытами, в которых дополнительно к линейно возрастающей деформации прикладывалась синусоидальная компонента.
Оценим в такого рода экспериментах применимость модели прогноза времени или магнитуды землетрясения [Shimazaki, Nakata, 1980], которая предполагает, что, при постоянной скорости накопления напряжений (деформаций) на существующем разломе, время до следующего землетрясения или его магнитуда линейно зависят от величины подвижки по разлому в предыдущем землетрясении. В простой модели повторяющихся подвижек на контакте двух блоков такой подход приводит к следующим правилам. Если повторяющиеся подвижки происходят при одном и том же критическом напряжении, то справедлива модель прогноза времени следующей подвижки Т,=а-В(_1+Ь, (4.3) где ТІ - время от предыдущей подвижки величиной Дч и коэффициент пропорциональности а зависит от скорости накопления деформаций. Если к тому же при каждой подвижке напряжения сбрасываются до постоянной величины остаточного напряжения, то величина последующей подвижки будет пропорциональна времени 7] и, соответственно, Ц=с- Д._і 4 d (4.4) В нашем случае каждый эксперимент состоял из 10-12 повторяющихся подвижек при чередующемся плавном нагружении и нагружении с наложенной дополнительной вибрацией. Таким образом, можно было проверить постоянство коэффициентов а и с. При обработке из рассмотрения исключались результаты при первых двух-трех подвижках ввиду резкого возрастания критических напряжений, свидетельствующих о притирке контакта после разборки модели. На рис.4.10 в качестве типичного примера представлены результаты двух экспериментов, где вибрация осуществлялась на самой низкой из применяемых частот 1 Гц и самой высокой 30 Гц. Аналогичные результаты получены при вибрации с частотой 5 и 10Гц. На рис.4.10 видно, что величины Т и А не остаются постоянными. Они имеют закономерно меньшие значения при реализации подвижек, происходящих в условиях вибрации.
Указанные результаты были получены при амплитуде вибрации, составлявшей по уровню напряжения 15% от приложенного к образцу внешнего напряжения. В опытах с уменьшенной амплитудой вибрации (5%) значимых изменений не было установлено. Не удалось также на настоящем этапе исследований выявить значимых изменений ТІ и Д. в зависимости от частоты вибрации и длительности ее приложения.
В то же время четко проявлялся эффект задержки неустойчивой подвижки по отношению к началу инициирования. Приведенные на рис.4.13 типичные примеры демонстрируют тот факт, что неустойчивая подвижка возникала через несколько секунд после этапа вибрации. Обращает на себя внимание (рис. 4.13а), что момент неустойчивой подвижки происходит при меньшем напряжении по сравнению с уровнем предыдущих локальных максимумов во время вибрации.
Рассмотрим возможные механизмы более раннего появления подвижки в экспериментах с вибрацией, т.е., уменьшения Т (рис.4.11). Одной из причин могло бы быть изменение при вибрации условий на контакте, в частности, понижение статического коэффициента трения, который в нашем случае оценивался величиной ц, = 0.6.
