Геологические модельные акустико-эмиссионные исследования

Внедрение: 2021 г.

В геологических лабораторных экспериментах авторы работы [1] изучали акустическую эмиссию (АЭ), инициируемую скользящим фрикционным разломом. Деформационные эксперименты проводились на ползунковой модели с точным контролем механических параметров и контролем акустического сигнала в диапазоне частот 20‑80 кГц. Схема установки показана на рисунке 1. В ходе экспериментов измерялись механические параметры (трение и смещение) и акустическая эмиссия.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – подвижный блок; 2 – базовый стержень; 3 – выдолбленный слой; 4 – лазерный датчик перемещения; 5 – датчик силы; 6 – упругий элемент (пружина); 7 – датчики АЭ.

Модельный разлом (ограниченный зернистый слой между двумя блоками) подвергался внешним нормальным и касательным напряжениям. Подвижный блок скользил по границе раздела под действием приложенных нормальных и сдвигающих сил.  

Рисунок 2. Регулярное прерывистое скольжение со специфическими изменениями трения и смещения во времени (слева). Стохастический скользящий режим (справа). Точка (0,0) соответствует моменту достижения предела прочности модельного разлома. 

Силу сдвига измеряли датчиком CFT/5kN (HBM, Германия). Смещение блока относительно основания измеряли лазерным датчиком ILD2220‑10 (Micro-Epsilon, Германия). Одним из экспериментальных результатов была АЭ, сопровождающая эволюцию фрикционного разлома. Три датчика АЭ были закреплены на стержне с противоположных сторон подвижного блока с помощью эпоксидной смолы. Датчики VS30‑V (Vallen System, Германия) с рабочей полосой частот 20‑80 кГц. Акустический сигнал обрабатывался усилителями заряда AEP5 и регистрировался с частотой дискретизации 1 МГц с помощью модуля 14‑разрядного АЦП E20‑10.

На рисунке 3 представлен алгоритм обнаружения АЭ. Момент времени, когда поток энергии начинает превышать порог, принимается за начало АЭ, а момент времени, когда поток энергии выходит за порог, – за конец АЭ. 

Рисунок 3. Алгоритм обнаружения АЭ. Сначала акустический сигнал фильтровался в полосе частот 20‑80 кГц фильтром Баттерворта. Затем рассчитывался поток энергии (синяя линия). Красными точками обозначены превышения фиксированного экспериментального порога. Импульсы, идентифицированные как АЭ, отмечены пунктирными областями. 

В настоящем лабораторном исследовании авторы выявили две различные субпопуляции АЭ, что отражает сложность эволюции фрикционных разломов на микроуровне. Самоорганизация разлома, заполненного бороздой, на микромасштабе является ключевым параметром, который контролирует фрикционное поведение разлома, содержащего несколько режимов скольжения. В макромасштабе наблюдается подобие предварительных изменений АЭ для быстрой, промежуточной и медленной мод скольжения на фрикционном разломе. Полученные данные указывают на единство лежащих в основе фрикционных механизмов различных режимов скольжения.

Источник:
Ostapchuk A, Morozova K, Markov V, Pavlov D and Popov M (2021) Acoustic Emission Reveals Multiple Slip Modes on a Frictional Fault. Front. Earth Sci. 9:657487. doi: 10.3389/feart.2021.657487

Разработчик: Остапчук А., Морозова К., Марков В., Павлов Д., Попов М. (ФГБУН Институт динамики геосфер им. ак. М.А. Садовского РАН, Москва)