Параметры группирования событий акустической эмиссии в лабораторных экспериментах по разрушению горных пород

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В данной работе проводится проверка выполнения закона продуктивности землетрясений [Shebalin et al., 2020a] в лабораторных экспериментах по разрушению горных пород. Образцы гранита Вестерли и песчаника Бенхайм подвергались одноосному нагружению в условиях всестороннего сжатия. Система регистрации акустической эмиссии (АЭ) позволяла сформировать каталоги источников АЭ подобные каталогам землетрясений. Анализировались данные экспериментов, проведенных в Лаборатории трения горных пород (Rock friction laboratory, USGS, Menlo Park, USA) и Лаборатории геомеханики и реологии (GFZ, Potsdam). Выявлено, что для событий АЭ в рассмотренных образцах характерно одномодальное распределение функции близости до ближайшего соседа. Показано выполнение закона продуктивности для событий акустической эмиссии в лабораторных экспериментах по разрушению образцов горных пород, что дает основание говорить о подобии процессов группирования в реальной сейсмичности и в лабораторных условиях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Д. Маточкина

Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: sofijamat@mail.ru

физический факультет

Россия, г. Москва; г. Москва

П. Н. Шебалин

Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН; Геофизический центр РАН

Email: sofijamat@mail.ru
Россия, г. Москва; г. Москва

В. Б. Смирнов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: sofijamat@mail.ru

физический факультет

Россия, г. Москва; г. Москва

А. В. Пономарев

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: sofijamat@mail.ru
Россия, г. Москва

П. А. Малютин

Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: sofijamat@mail.ru

физический факультет

Россия, г. Москва; г. Москва; г. Москва

Список литературы

  1. Баранов С.В., Жукова С.А., Корчак П.А., Шебалин П.Н. Продуктивность техногенной сейсмичности // Физика Земли 2020. № 3. С. 40–51.
  2. Баранов С.В., Шебалин П.Н. Закономерности постсейсмических процессов и прогноз опасности сильных афтершоков. М.: РАН. 2019. 218 с.
  3. Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС. 2016. 424 с.
  4. Моторин А.Ю., Жукова С.А., Баранов С.В., Шебалин П.Н. Воздействие обводненности среды на продуктивность природно-техногенной сейсмичности (на примере Хибинского массива) // Физика Земли. 2024. № 2. С. 3–14.
  5. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Сергеева С.М. О подобии и обратной связи в экспериментах по разрушению горных пород // Физика Земли. 2001. № 1. С. 89–96.
  6. Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Физика переходных режимов сейсмичности. М.: РАН. 2020. 412 с.
  7. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Станчиц С.А., Потанина М.Г., Патонин А.В., Dresen G., Narteau C., Bernard P., Строганова С.М. Лабораторное моделирование афтершоковых последовательностей: зависимость параметров Омори и Гутенберга–Рихтера от напряжений // Физика Земли. 2019. № 1. С. 149–165.
  8. Соболев Г.А., Пономарев А.В. Акустическая эмиссия и стадии подготовки разрушения в лабораторном эксперименте // Вулканология и сейсмология. 1999. № 4–5. C. 50–62.
  9. Baiesi M.,Paczuski M. Scale-free networks of earthquakes and aftershocks // Physical review E. 2004. V. 69. № 6. P. 066106.
  10. Baró J., Corral Á., Illa X., Planes A., Salje E.K.H., Schranz W., Vives E. Statistical similarity between the compression of a porous material and earthquakes // Physical review letters. 2013. V. 110. № 8. P. 088702. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.088702
  11. Bayliss K., Naylor M., Main I.G. Probabilistic identification of earthquake clusters using rescaled nearest neighbour distance networks // Geophysical Journal International. 2019. V. 217. № 1. P. 487–503.
  12. Brace W.F., Byerlee J.D. Stick slip as a mechanism for earthquakes // Science. 1966. V. 153. P. 990–992.
  13. Grassberger P., Procaccia I. Measuring the Strangeness of Strange Attractors // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1983. V. 9. P. 189–208. doi: 10.1016/0167-2789(83)90298-1
  14. Hainzl S., Sippl C., Schurr B. Linear relationship between aftershock productivity and seismic coupling in the Northern Chile subduction zone // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2019. V. 124. № 8. P. 8726–8738.
  15. Hirata T., Satoh T., Ito K. Fractal structure of spatial distribution of microfracturing in rock // Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society. 1987. V. 90. № 2. P. 369–374. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1987.tb00732.x
  16. Kandula N., Mc Beck J., Cordonnier B., Weiss J., Dysthe D.K., Renard F. Synchrotron 4D X-ray imaging reveals strain localization at the onset of system-size failure in porous reservoir rocks // Pure and Applied Geophysics. 2022. P. 1–26.
  17. Lei X., Ma Sh. Laboratory acoustic emission study for earthquake generation process // Earthquake Science. 2014. V. 27. № 6. P. 627–646. doi: 10.1007/s11589–014–0103-y
  18. Lockner D.A., Byerlee J.D. Development of fracture planes during creep in granite. In Proc. 2-nd Conference on Acoustic Emission. Microseismic Activity in Geological Structures and Materials / H. R. Hardy, W. F. Leighton (eds.). Trans-Tech Publications, Clausthal-Zellerfeld, Germany. 1980. P. 11–25.
  19. Lockner D. A., Byerlee J. D., Kuksenko V., Ponomarev A., Sidorin A. Quasi-static fault growth and shear fracture // Nature. 1991. V. 350. № 6313. P. 39–42.
  20. Marsan D., Helmstetter A. How variable is the number of triggered aftershocks? // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2017. V. 122. P. 5544–5560.
  21. Marsan D., Lengline J. Extending Earthquakes’ Reach Through Cascading // Science. 2008. V. 319. P. 1076–1079. doi: 10.1126/science.1148783
  22. McBeck J., Ben-Zion Y., Renard F. Fracture network localization preceding catastrophic failure in triaxial compression experiments on rocks // Frontiers in Earth Science. 2021. V. 9. P. 778811.
  23. Ogata Y. Statistical model for standard seismicity and detection of anomalies by residual analysis // Tectonophysics. 1989. V. 169. № 1-3. P. 159–174.
  24. Scholz C.H. The Mechanics of earthquakes and faulting (3-rd edition). Cambrige Univ. Press. 2019. 512 p. ISBN: 9781316615232
  25. Shebalin P.N., Narteau C., Baranov S.V. Earthquake productivity law // Geophysical Journal International. 2020a. V. 222. № 2. P. 1264–1269.
  26. Shebalin P.N., Narteau C., Baranov S.V. Earthquake productivity law // Geophysical Journal International (Supporting information). 2020b. V. 222. № 2. P. 1264–1269.
  27. Utsu T. Aftershocks and earthquake statistics (1): Some Parameters Which Characterize an Aftershock Sequence and Their Interrelations //Journal of the Faculty of Science, Hokkaido University. 1969. Series 7. Geophysics. 1970. V. 3. № 3. P. 129–195.
  28. Vilhelm J., Rudajev V., Ponomarev A.V., Smirnov V.B., Lokajíček T. Statistical study of acoustic emissions generated during the controlled deformation of migmatite specimens // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2017. V. 100. P. 83–89.
  29. Zaliapin I., Ben-Zion Y. Earthquake clusters in southern California I: identification and stability // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 2847–2864.
  30. Zaliapin I., Ben-Zion Y. A global classification and characterization of earthquake clusters //Geophysical Journal International. 2016. V. 207. № 1. P. 608–634.
  31. Zaliapin I., Gabrielov A., Keilis-Borok V., Wong H. Clustering analysis of seismicity and aftershock identification // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. № 1. P. 018501.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. История нагружения образцов (дифференциальные напряжения) в экспериментах: (а) – AE36, AE39, AE42 и (б) – BS02, BS03.

Скачать (379KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Графики нагружения образцов с обозначенными на них областями для анализа: (а) AE42 – пунктирными линиями разделены три участка: рост дифференциального напряжения – до красной пунктирной линии; стадия почти постоянного дифференциального напряжения – от красного до синего пунктира; спад дифференциального напряжения – после синего пунктира; (б) BS02 – цветными прямоугольниками выделены: синим – область до магистрального разлома и области после него с повышенной акустической активностью (красным – после разлома 1, оранжевым – после разлома 2, зеленым – после разлома 3).

Скачать (344KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Пример распределений для эксперимента BS02 после магистрального разлома: (а) – график выборочной плотности распределения функции близости до “ближайшего соседа”: черным цветом обозначено распределение красным – синим – (б) – график кумулятивной функции распределения: черная линия – красная – синяя – зеленая –

Скачать (342KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Графики распределения функции близости до “ближайшего соседа” для участков до, после магистрального разлома и всего каталога эксперимента AE42 с одинаковыми параметрами.

Скачать (36KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Реальное (черная линия) и случайное (красная линия) распределения функции близости до “ближайшего соседа” для участка роста дифференциального напряжения образца AE42.

Скачать (221KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение продуктивности событий акустической эмиссии для областей экспериментов после магистрального разлома (областей афтершоковых событий): (a) – серия AE; (б) – серия BS.

Скачать (260KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределение продуктивности событий акустической эмиссии для различных областей нагружения в опыте BS02 (рис. 2б): черными кругами обозначено распределение до магистрального разлома; красными треугольниками – после разлома 1; синими треугольниками – после разлома 2; зелеными квадратами – после разлома 3.

Скачать (202KB)
Метаданные
9. Рис. 8. (а) – Распределение продуктивности событий акустической эмиссии для области “после разлома 1” на рис. 2б, с разными ∆K: при разных значениях порога сохраняется экспоненциальная зависимость; (б) – средняя продуктивность событий акустической эмиссии в зависимости от относительного порога ∆K.

Скачать (277KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024