Скальные породы, несмотря на свою твёрдость, не являются статичными материалами с постоянными свойствами. Даже небольшие нагрузки могут изменить их механические характеристики, а реакция на деформацию выражается в потере жёсткости. Повреждённые таким образом породы хуже справляются с нагрузками, например, с гравитационными или тектоническими напряжениями. Это явление важно для понимания причин разрушения материалов, как при оползнях или землетрясениях.
Изменения упругих свойств
Такие изменения упругих свойств часто наблюдаются в неоднородных и гранулированных материалах, таких как породы, бетон или осадки. В результате они играют роль в геотехнике и стабильности искусственных сооружений.
Лабораторные эксперименты
Эти эффекты наблюдались в лабораторных экспериментах в течение многих лет с помощью акустических методов. Развитие сейсмической интерферометрии сделало возможным подобные наблюдения в полевых условиях, используя так называемый «сейсмический шум».
Ключевым наблюдением с помощью этих методов является внезапное снижение скорости сейсмических волн в подземных слоях после землетрясения (повреждения). За этим снижением следует медленное увеличение, которое может длиться несколько лет (восстановление).
Физические причины процессов
Несмотря на многочисленные исследования, физические причины этих процессов до сих пор чётко не определены. Однако принято считать, что контраст между очень жёсткими зёрнами и значительно более мягкими плоскостями контакта зёрен, а также концентрации напряжений в этих точках контакта ответственны за эти эффекты.
Мануэль Аснар и группа сотрудников из GFZ, Эдинбургского университета в Великобритании и Университета Лотарингии во Франции добились прорыва в лабораторных экспериментах, проведённых в лабораториях высокого давления GFZ. Их экспериментальная установка позволила им с высокой точностью измерить скорость волн в 10-сантиметровом цилиндре из песчаника вдоль различных направлений распространения. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Образец подвергался воздействию различных уровней нагрузки вдоль оси цилиндра. Это показало, что, как и ожидалось, статические эффекты нагрузки сильно влияли на волны вдоль основной оси, в то время как волны вдоль диаметра оставались относительно неизменными. Однако временные эффекты, то есть внезапное повреждение и длительное восстановление, последовательно наблюдались вдоль всех направлений распространения.
Эти результаты показывают, что временные эффекты не вызваны контактами зёрен, которые более или менее сжаты друг с другом. Скорее, эти эффекты можно объяснить скольжением контактных плоскостей друг по другу, независимо от того, прикладывается нагрузка или снимается.
Влияние трения
Влияние трения вдоль контактов внутри материала уже давно предполагалось ответственным за эти временные изменения скорости волн. Однако это исследование анизотропии изменений скорости — то есть их зависимости от направления — предоставляет убедительные доказательства в пользу этой интерпретации. На основе этих результатов можно разработать модели для более точного описания и прогнозирования временных изменений механических свойств в породах и геотехнических материалах.
Предоставлено Центром наук о Земле Гельмгольца (GFZ Helmholtz Centre for Geosciences)