Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий




Скачать 260.12 Kb.
НазваниеМасштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий
страница2/3
Дата26.10.2012
Размер260.12 Kb.
ТипАвтореферат
1   2   3
Третья глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию масштабно-инвариантных закономерностей при деформировании и разрушении соляных пород (сильвинита, карналлита) Верхнекамского калийного месторождения.

В параграфе 3.2 приведены основные механические свойства рассматриваемых соляных пород, их строение, обсуждаются характерные механизмы разрушения. Раздел 3.3 посвящен условиям проведения экспериментов и основным экспериментальным результатам.

Экспериментальное исследование включало эксперименты по квазистатическому сжатию, деформации в условии ползучести и деформации релаксации сильвинита и карналлита. Для регистрации импульсов акустической эмиссии (АЭ) использовались датчики двух частотных диапазонов: 100-400 кГц (НЧ) и 350-2000 кГц (ВЧ). Анализ волновых форм регистрируемых импульсов АЭ выявил необходимость учета временных особенностей источников АЭ и введения параметра магнитуды акустического события как


(6)


где - максимальная амплитуда регистрируемого импульса, - количество пересечений порога в рамках одиночного импульса АЭ, - длительность импульса АЭ, - средний период пересечения порога. При этом на модельном примере была доказана независимость магнитуды от порога регистрации. Для амплитуды импульса АЭ и введенной магнитуды было показано выполнение закона Гутенберга-Рихтера для обоих видов пород и различных условий нагружения (рис.4).

В предположении, что энергия одиночного импульса АЭ пропорциональная упругой энергии, выделившейся при разгрузке шаровой области радиуса , оценивались характерные размеры дефектов, образующихся при деформировании. Для полученных характерных размеров дефектов показано выполнение закона Гутенберга-Рихтера вне зависимости от условий нагружения.



Рис. 4. Кумулятивное распределение амплитуд (а), магнитуд (б) АЭ при сжатии карналлита, превышающих заданную (■ – НЧ диапазон, ▲ – ВЧ диапазон)

Для экспериментов по деформированию в условиях ползучести и релаксации показано выполнение закона Омори для скорости поступления импульсов в НЧ и ВЧ диапазонах.

Для исследования влияния на показатель закона Гутенберга-Рихтера скорости нагружения и «масштабного» фактора была проведена серия экспериментов на квазистатическое сжатие пестрого сильвинита при различных скоростях (от 0.008 мм/мин до 8 м/мин) и различных размеров образцов (от 0.01 м до 0.35 м).

Показано, что при уменьшении скорости деформирования показатель степени в законе Гутенберга-Рихтера для амплитуд сигналов АЭ уменьшается, тогда как показатель степени для магнитуд увеличивается (рис. 5).

Данный характер зависимостей связан с тем, что при малой скорости деформирования процесс накопления повреждений охватывает большой диапазон как временных, так и пространственных масштабов, что выражается в появлении импульсов АЭ с широким спектром энергий. В магнитуде, помимо амплитуды сигнала АЭ, учитываются его временные особенности. Поэтому при увеличении скорости деформации процесс накопления повреждений и разрушения реализуется на носителях с меньшими характерными временами эволюции, что отражается в уменьшении наклона кумулятивного распределения магнитуд сигналов АЭ.



Рис. 5. Зависимости показателя степени закона Гутенберга-Рихтера от скорости деформирования для НЧ диапазона (а – для амплитуд АЭ, б – для магнитуд АЭ)

Установлено, что зависимость показателя степени закона Гутенберга-Рихтера для амплитуд и магнитуд АЭ от характерного размера образца имеет более сложный вид, что связывается с влиянием зернистости (а точнее, отношения характерного размера зерна к размеру образца).

Четвертая глава посвящена численному моделированию стадии неустойчивого развития несплошностей при подготовке землетрясения на основе полученных определяющих соотношений квазихрупкого материала с дефектами и автомодельных свойствах кинетического уравнения для ансамбля дефектов сдвигового типа. При этом предполагается, что появлению одиночного землетрясения соответствует момент обострения локализованной дефектной структуры.

Для исследования масштабно-инвариантных закономерностей развития диссипативных структур обострения в разделах 4.2 и 4.3 формулируется краевая задача для одномерной области с некоторым начальным распределением плотности дефектов в окрестности критической точки. Для отдельной диссипативной структуры вводятся ее основные характеристики: амплитуда, размер и магнитуда. В качестве статистических распределений начального профиля поврежденности рассматриваются: равномерное, нормальное, логнормальное, экспоненциальное распределения и распределение Вейбулла. Для численного решения краевой задачи используется явная условно устойчивая двухслойная схема второго порядка аппроксимации по и первого порядка по на неравномерной сетке по времени. Условие устойчивости при этом имеет вид:


(7)


Остановка численного решения краевой задачи, в процессе которого образуются локализованные структуры обострения, осуществляется при размере шага по времени меньшем, чем 10-12. Момент остановки появившейся на рассматриваемой области структуры с максимальной амплитудой принимается за время обострения .

В результате численных расчетов показано, что закон Гутенберга-Рихтера для амплитуд, размеров и магнитуд диссипативных структур выполняется только в случае экспоненциального, логнормального распределения и распределения Вейбулла (рис.6) начального профиля поврежденности.




Рис. 6. Кумулятивное распределение амплитуд (а) и магнитуд (б) диссипативных структур для распределения Вейбулла начального профиля поврежденности (■ - при ▲ – при )

Для исследованных трех типов статистических распределений начального профиля поврежденности показано выполнение закона Омори (рис. 7). Для построения временных последовательностей афтершоков (повторных сейсмических толчков меньшей интенсивности по сравнению с главным сейсмическим ударом (майншоком)) разработана численно-аналитическая схема на основе численно полученных распределений диссипативных структур. Согласно разработанной схеме, афтершоком считается любая одиночная диссипативная структура за исключением структуры обострения с максимальной амплитудой и минимальным временем обострения, которая принимается за майншок.




Рис. 7. Временная последовательность афтершоков (а) и соответствующий ей закон Омори (б)

Раздел 4.4 посвящен численному моделированию кинетики единичного очага землетрясения и механизмам взаимодействия очагов землетрясений. В подразделе 4.4.1 представлена задача инициирования одиночной локализованной дефектной структуры обострения возмущением поля напряжения. Рассматривается всесторонне сжатый представительный объем квазихрупкой породы, находящийся в условиях сдвига в некотором выделенном направлении. Система безразмерных уравнений, описывающая напряженно-деформированное состояние квазихрупкой области, учитывающая кинетику структурно-скейлинговых переходов в ансамбле сдвигов, имеет вид:



(8)



(9)


Здесь – размер рассматриваемой области, – сдвиговая скорость упругой волны, – модуль сдвига, – плотность материала, и – размерное и безразмерное напряжение, и – размерное и безразмерное время, и – размерная и безразмерная свободная энергия. Параметр характеризует относительную упругую податливость среды, обусловленную дефектами. Безразмерные параметры , определяют соответственно релаксационные свойства материала, обусловленные неравновесными структурными переходами с характерными временами и эффектами нелокальности ( – аналог диффузионных времен).

В качестве начальных равновесных условий задавались распределение параметра поврежденности в виде распределения Гаусса, однородное поле напряжений, соответствующее распределению поврежденности, распределение параметра структурного скейлинга и однородная полная деформация. На одной из границ задавалось возмущение поля напряжения в виде импульса параболической формы.

Определение параметров краевой задачи (9) основано на минимизации невязки экспериментальных и численных данных для одноосного нагружения при постоянной скорости деформирования. Критерий оптимизации выбран в виде , где – экспериментальные значения напряжений, – теоретические значения напряжений, – различные моменты времени, – параметры модели, которые в задаче оптимизации являются параметрами оптимизации, – критерий оптимизации. Указанная постановка задачи оптимизации является некорректной, поэтому был выбран метод решения, который основан на методе поиска. Алгоритм оптимизации тестировался для большого ряда начальных приближений, чтобы исключить локальные экстремумы.

Оценка характерных времен и параметров материала проводилась на основе экспериментов на одноосное нагружение образцов доломита (абсолютно хрупкой породы) на установке Гопкинсона-Кольского. Значения кинетических коэффициентов и параметров принимались равными: , , м/с, кг/м3, ГПа, ГПа, , ГПа, м.

Численно исследовалось инициирование режимов с обострением одиночной локализованной дефектной структуры возмущением поля напряжения. На рисунке 8 представлены эволюция поврежденности и напряжения на рассматриваемой пространственной области. Возмущение поля напряжения «выводит» локализованную дефектную структуру из положения равновесия, после чего начинается процесс обострения с резким увеличением поврежденности. Особенностью исследуемой системы уравнений смешанного типа является наличие «медленных волн»6. Из рисунка 8б видно, что возмущение напряжения распространяется по области с квазиакустической скоростью и уменьшающейся амплитудой.


(а)

(б)


Рис. 8. Эволюция поврежденности (а) и напряжения (б)

Скорость ее зависит как от среднего уровня поврежденности, так и от среднего уровня напряжения в рассматриваемой области, и определяется эффективным модулем среды


(10)


Современные полевые и лабораторные наблюдения подтверждают существование «медленных движений», скорость которых на порядки отличается от скорости звука7.

Особенностью обострения одиночной дефектной структуры является уменьшение напряжения в занимаемой ею области (рис. 8), что согласуется с наблюдениями, когда появление землетрясения или макроразрыва приводит к резкой релаксации напряжения в локальной области.

Численные расчеты показали, что возмущение поля напряжения небольшой амплитуды может инициировать обострение одиночной локализованной дефектной структуры, находящейся в равновесии. Однако открытым остается вопрос о природе этого возмущения. Полевые наблюдения показывают, что последовательность афтершоков после сильного землетрясения наблюдается как в большом временном интервале (от суток до нескольких десятков лет), так и на большом пространственном масштабе (от километров до сотен километров). В настоящее время инициирование афтершоков на достаточно большом расстоянии от эпицентра землетрясения связывается с обширной сетью разломов, которые последовательно инициируются возмущениями поля напряжения. Поэтому было высказано предположение о том, что обострение одиночной диссипативной дефектной структуры должно генерировать возмущение поля напряжения.

Подраздел 4.4.2 посвящен задаче инициирования квазиакустического возмущения обостряющейся локализованной дефектной структурой. Рассматривается пространственная область с однородным распределением поврежденности, напряжения и упругой деформации, на границе которой задается степенной рост поврежденности (обострение). Краевая задача в этом случае имеет вид, аналогичный (9). При этом рост поврежденности ограничивается условием неотрицательности упругой деформации, связанным с постоянством полной деформации рассматриваемой области. Это условие соответствует предельному случаю, когда запасенная упругая энергия системы полностью идет на развитие поврежденности.

П
1   2   3

Похожие:

Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий iconРабочая программа учебной дисциплины основы петрофизики и разрушения горных пород
Одновременно с приобретением новых знаний студент в процессе изучения курса должен освоить навыки самостоятельного исследования теоретических...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий iconАвтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Автор : Лисица Андрей Васильевич зам директора компании «Новые технологии»
При этом особое внимание уделяется качеству получаемых материалов. Это заставляет искать новые способы разрушения горных пород, к...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий icon2 физико-механические свойства горных пород
Знание свойств горных пород необходимо при интерпретации диаграмм геофизических исследований скважин. Без знания свойств горных пород...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий iconПредмет: География Класс: 6 Учебник: Герасимова Т. П., Неклюков Н. П. Учитель: Вагизова Ф. Г. Тема: Горные породы и минералы.
Цель: Сформировать представление о происхождении магматических, осадочных и метаморфических горных пород. Научить различать происхождение...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий icon1. Нескальные грунты. Определения. Характеристика грунтов
Классификация горных пород по происхождению. Характерные формы залегания горных пород. Привести примеры
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий iconМ. И. Дубровский комплексная классификация магматических горных пород
Графическое выражение зависимости различных параметров позволяет наглядно производить сопоставления большого количества данных на...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий iconМ. И. Дубровский комплексная классификация магматических горных пород
Графическое выражение зависимости различных параметров позволяет наглядно производить сопоставления большого количества данных на...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий icon«механика горных пород и грунтов»
...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий iconО механике сейсмических событий
«очаг-объем»» [1]. В соответствии с этим пожеланием разработана концепция механики сейсмических процессов [2], кардинально отличающаяся...
Масштабно-инвариантные закономерности разрушения горных пород и развитие сейсмических событий iconПрограмма спецкурса “структурогенез метаморфических горных пород” для студентов IV курса специальности «петрология» Составил
Цели преподавания курса: дать студентам-петрологам главнейшие сведения о структурах и текстурах метаморфических горных пород, механизмах...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница