диссертация (1097841), страница 22

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

В окрестности смены фазы наблюдаетсярезкое доминирование второй гармоники. Меняющееся соотношение уровнейгармоник и переключающаяся фаза при стабильном характере самого приливноговоздействияоднозначноуказываетнато,чтоименносвойствасредыобусловливают эти изменения, анализ которых может дать дополнительнуюинформацию для уточнения модели эффекта.Рисунок4.2иллюстрируетотмеченныеособенностимодуляцииинтенсивности ВСШ на частоте 30 Гц (по данным станции “Начики” поддействием компоненты О1 приливной деформации в окрестности моментаКарымского землетрясения, произошедшего 1 января 1996 года, с магнитудойMS = 7.0 [Левина и др., 2002а].

А именно, показаны фаза огибающей, её первая и145вторая гармоники и отношение этих гармоник. Как видно из рисунка 4.2 (а), вокрестности землетрясения, когда в среде происходят наиболее сильные изменениятектонических напряжений, фаза волны испытывает почти скачкообразноеизменение на  радиан. При этом первая гармоника имеет резкий провал (рисунок4.2 (б)), в то время, как уровень второй остается почти постоянным (рисунок4.2 (в)).

Отношение гармоник в это время имеет хорошо выделенный пик (рисунок4.2 (г)). Аналогичные особенности имеют место и для других подобныхнаблюдений.Рисунок 4.2 – Временные зависимости для фазы (а) и амплитуды (б) модуляцииинтенсивности эндогенных сейсмических шумов с периодом приливнойкомпоненты О1, амплитуды второй гармоники модуляции (в) и отношения второй ипервой гармоник (г). Время отсчитывается от момента Карымского землетрясения,произошедшего 01.01.1996 г. Окно усреднения равно 28 суткам, текущее времяпривязано к центру окна.146По-видимому, наиболее яркой и практически всегда наблюдающейсяособенностью эффекта (для нескольких десятков землетрясений с 1992 года вКамчатском регионе) является участок стабилизации фазы модуляции передземлетрясением (см.

Глава 3). В значительном числе случаев (хотя и не всегда)происходит смена фазы модуляции на противоположную после прохожденияземлетрясения [Салтыков, 1997а].Рассмотрим возможные пути интерпретации этих данных.Качественно необычные и сильно повышенные по уровню нелинейныеакустические свойства присущи широкому классу контакто- и трещиносодержащих сред (в том числе практически всем горным породам), для которыхлабораторные эксперименты указывают на возрастание нелинейных упругихпараметров, достигающее сотен и тысяч раз по сравнению с однородными средами[Проблемы нелинейной …, 1987; Guyer, Johnson, 1999; Руденко, 2006].

Еще болеевысокие оценки нелинейных параметров следуют из некоторых натурныхнаблюдений (например, данных по влиянию приливных деформаций земной корынаскоростисейсмоакустическихволн,излучаемыхвысокостабильнымиисточниками [De Fazio et al., 1973; Reasenberg, Aki, 1974]).

Установлено также, чтокроме чисто упругой нелинейности трещины и контакты в структуре материаламогут приводить к гистерезисной нелинейности [Guyer, Johnson, 1999; Руденко,2006], “памяти” [Solodov, Korshak, 2002] и другим как “быстрым” нелинейнымэффектам, так и эффектам медленной динамики [Guyer, Johnson, 1999; Руденко,2006; Solodov, Korshak, 2002; TenCate et al., 2000; Zaitsev et al., 2002, 2003], впонимании которых в последние годы достигнут заметный прогресс.Основное затруднение в нашем случае связано с, казалось бы, слишкомбольшой глубиной модуляции ~ 10-2 − 10-1 уровня шумов по сравнению с уровнемвоздействующихнасостояниегорныхпородприливныхдеформацийсхарактерной амплитудой порядка 10-8. Если наблюдаемые приливные вариациискоростей сейсмоакустических волн с уровнем 10-5 − 10-3 [De Fazio et al., 1973;Reasenberg, Aki, 1974; Глинский и др., 1999; Боголюбов и др., 2004] еще можнообъяснить влиянием надежно установленной повышенной упругой нелинейностигорных пород, то для более сильных на 2 − 4 порядка приливных вариаций147интенсивности ВСШ на ее основе не удается получить даже феноменологическогоописания.Длягорныхпородтакжетипична“неклассическая”гистерезиснаянелинейность [Guyer, Johnson, 1999], которая проявляется как гистерезисквазистатической зависимости “напряжение-деформация”.

(Подчеркнем, что здесьречь не идет о линейных вязких потерях, также приводящих к сдвигу фазы междутекущими значениями напряжения и деформации, также иногда называемомугистерезисом).“Истинная”квазистатическаягистерезиснаянелинейность(обусловленная, например, адгезионными или фрикционными явлениями намикроструктурных дефектах среды), в принципе, может приводить к изменениюдиссипации одного колебания в присутствии другого [Zaitsev et al., 2005]. Однакодля такой гистерезисной нелинейности индуцированное изменение диссипацииоказывается очень малым при большой разнице частот взаимодействующихколебаний [Zaitsev et al., 2005]. Поскольку для обсуждаемых шумов и приливныхдеформаций отношение частот порядка 106 − 107, то приливные вариации потерь засчет гистерезисной нелинейности для высокочастотных шумов оказываютсяпренебрежимо малы.На первый взгляд, естественным выглядит предположение о возможномнепосредственноминициированиислабымиприливнымидеформациямимикроразрушений породы и сопутствующей им сейсмоакустической эмиссии (чтогипотетически можно допустить для материала, находящегося на самом порогеразрушения).

Не отбрасывая полностью такой возможности, заметим, что вкачестве единственного важного фактора для накопленного большого объеманаблюдений, проводившихся в самых разных условиях с точки зрения фоновогонапряженного состояния земных пород, такая гипотеза не представляетсядостаточно оправданной. Действительно, наблюдения приливной модуляциишумов (типа описанных в Главе 3) проводились в районах повышеннойсейсмической активности, где регулярно происходят сильные землетрясения.

Приэтом выраженная модуляция ВСШ наблюдалась в различные фазы сейсмическогопроцесса (и до, и после землетрясений), когда фоновые напряжения горных породдолжны были весьма существенно различаться. В этой связи предположение о148возможноминициированиислабымиприливнымидеформациямимикроразрушений и сопутствующей им сейсмоакустической эмиссии (чтогипотетически можно допустить для материала, находящегося на самом порогеразрушения) явно не может быть признано основным фактором для наблюдаемоймодуляции.В связи с этим, для интерпретации данных по приливной модуляции,полученныхвстольразныхусловиях,желательнонайтиинойболееуниверсальный и грубый (в смысле условий самого его существования) механизм.Объяснение такого рода могло бы основываться на существовании в средеещекакого-либомеханизмаамплитудно-зависимыхпотерь,достаточночувствительных к весьма слабым приливным деформациям.

Желательно, чтобыэтот механизм не требовал конечного порога по деформации (в отличие отгистерезисных фрикционных и адгезионных явлений, требующих для своейактивации, чтобы величина смещений контактирующих элементов среды,превышала атомарный размер). Эффективность искомого механизма должнаобеспечиватьизменениядекрементапоглощениядлясейсмоакустическихвозмущений на уровне ~ 10-2 − 10-1 под действием типичной для приливовквазистатической деформации порядка ~ 10-8. Отметим, что на существованиетакого рода механизма независимо указывают и наблюдения приливной модуляцииамплитудысейсмоакустическихволн,создаваемыхвысокостабильнымиизлучателями [Глинский и др., 1999; Боголюбов и др., 2004].

По тем же причинам,что были отмечены выше при обсуждении модуляции шумов, ни чисто упругая, нигистерезиснаянелинейностьнемогутобъяснитьнаблюдавшейсявэтихэкспериментах существенной амплитудной модуляции. Ниже будет пояснено,каким образом хорошо известные и широко обсуждаемые микроструктурныеособенности горных пород и подобных им микронеоднородных сред приводят нетолько к сильному росту нелинейной упругости (и гистерезису при учетефрикционно-адгезионных явлений), но обусловливают также и появлениевыраженной амплитудно-зависимой диссипации, не связанной с гистерезиснойнелинейностью.1494.2 Механизм негистерезисных амплитудно-зависимых потерьза счет наличия “мягких” дефектов в структуре материала(Реологическая модель)В настоящее время стало практически общепринятым [De Fazio et al., 1973;Reasenberg, Aki, 1974; Проблемы нелинейной …, 1987; Guyer, Johnson, 1999;Руденко, 2006] понимание, что в силу локально повышенной сжимаемости надефектах локализуются наибольшие деформации (и скорости деформаций),приводящие как к сильному возрастанию упругой нелинейности среды, так и ростудиссипации по сравнению с однородным материалом.

При этом, однако, обычноостается без внимания амплитудно-зависимая диссипация в таких средах, несвязанная с традиционно обсуждаемыми амплитудно-зависимыми потерями за счетстатического гистерезиса.Чтобы пояснить сущность такой амплитудно-зависимой диссипации, несвязаннойсгистерезиснойнелинейностью,воспользуемсянагляднойреологической моделью микронеоднородной среды (рисунок 4.3).Рисунок 4.3 – Реологическая модель микронеоднородной упругой среды смягкими дефектами.

Функция F(..) и параметр g описывают их упругуюнелинейность и эффективную вязкость (например, за счет термоупругих илиреальных вязких потерь при наличии заполняющей жидкости). Количествоlдефектов характеризуется их погонной концентрацией   в одномерном случаеLили относительным объемным содержанием при обобщении на трехмерныйслучай.Здесь ограничимся совершенно достаточной для нашего обсужденияодномерной формой модели [Зайцев и др., 2001].

В трехмерном случае150аналогичным образом можно ввести по-разному ориентированные мягкие дефекты(как это сделано, например, в [Zaitsev, Sas, 2000]). Для выявления структурнообусловленной амплитудно-зависимой диссипации достаточно учесть нелинейныйхарактер деформирования и наличие потерь только на мягких дефектах,пренебрегая нелинейностью и потерями в среде-матрице, как это и показано нарисунке 4.3. При этом уравнение состояния дефектов можно записать в виде:  E[1  F (1 )]  gd1 / dt ,(4.1)где упругое напряжение  в среде связано с локальной деформацией  1 мягкогодефекта, причем величина  1 значительно больше, чем средняя деформация материала в силу высокой мягкости дефекта, характеризуемой малым параметром << 1. При этом модуль упругости E характеризует однородную среду-матрицу.Для обсуждения эффектов, наблюдающихся при очень малых деформациях,достаточно учесть низший, квадратичный по деформации  1 порядок упругойнелинейности дефектов:F ( 1 )   12 .(4.2)Параметр нелинейности  будем считать отрицательным, так как под действиемрастягивающегонапряжения>0обычноматериалстановитсямягче.Подчеркнем, что в масштабе локальной деформации дефекта  1 его нелинейностьимеет вполне обычный невысокий уровень, т.е.

Характеристики

Список файлов диссертации