Амплитудно-зависимый гистерезис скорости волны в горных породах в широком диапазоне частот: экспериментальное исследование

Это исследование относится к области физики горных пород (Rock Physics). За последние годы в физике твердого тела и материаловедении появились новые знания о микропластической деформации различных материалов, в том числе горных пород. Эти данные получены с помощью высокоточных измерений деформации на микро- и наноуровне. Сам факт существования мало изученного в науках о Земле свойства горных пород требует изучения возможного влияния микропластичности пород на распространение сейсмических и акустических волн. Исследования проведены по трем альтернативным методикам и при различных условиях наблюдения. Полевые измерения проведены в зоне малых скоростей в межскважинном пространстве на проходящих волнах частотой (240–850) Гц. Лабораторные измерения выполнены на образцах песчаника на проходящих (6,8 кГц) и отраженных волнах (1 МГц) при деформации (10⁻⁸–10⁻⁶). Проявления микропластичности зарегистрированы с использованием высокоразрешающей записи сигналов с временем квантования t_квант = 1 мкс – 40 мкс и 32,5 нс. Вариация амплитуды волны осуществлялась по замкнутому циклу: дискретное увеличение амплитуды от минимума до максимума и возврат к исходной величине (А1+ → А2+ → … А_макс … → А2– → А1–). В этом амплитудном диапазоне имеет место амплитудный гистерезис, признаком которого является неравенство скоростей волн на восходящем и нисходящем амплитудном курсе. Этот эффект зарегистрирован для всех трех методов измерения на разных частотах. Однако амплитудный гистерезис скорости волны отсутствует только в случае измерений при полном водонасыщении суглинков. Наибольшее амплитудно-зависимое изменение скорости волны достигает 2 % (с точностью 0,02 %), а изменение величины затухания составляет 5 %. Причиной такого эффекта может быть микропластическая неупругость, признаками которой являются амплитудные плато, располагающиеся внутри формы волны. Амплитудный микрогистерезис формирует общую картину амплитудной зависимости скорости волны в широком амплитудном диапазоне. Представлены предложения возможного применения полученных данных для решения некоторых прикладных задач.

1. Вознесенский Е. А. Поведение грунтов при динамических нагрузках. М.: Изд-во Моск. ун-та; 1998. 320 с.

2. Гущин В. В., Шалашов Г. М. О возможности использования нелинейных сейсмических эффектов в задачах вибрационного просвечивания Земли. В: Николаев А. В., Галкин И. Н. Исследование Земли невзрывными сейсмическими источниками. М.: Наука; 1981. С. 144–155.

3. Гущин В. В., Павленко О. В. Изучение нелинейно-упругих свойств земных пород по сейсмическим данным. Современная сейсмология. Достижения и проблемы. 1998;13.

4. Егоров Г. В. Вариация нелинейных параметров консолидированного пористого водо-насыщенного образца в зависимости от степени газо-насыщения. Физическая мезомеханика. 2007;10(1):107–110.

5. Николаев А. В. Проблемы нелинейной сейсмики. М.: Наука; 1987. 288 с.

6. Johnston D. H., Toksoz M. N. Thermal cracking and amplitude dependent attenuation. Journal of Geophysical Research. 1980;85:937–942.

7. Ostrovsky L. A., Johnson P. A. Dynamic nonlinear elasticity in geomaterials. La Rivista del Nuovo Cimento. 2001;24:1–46. https://doi.org/10.1007/BF03548898

8. Кондратьев О. К. Сейсмические волны в поглощающих средах. М.: Недра; 1986. 176 с.

9. Mavko G. M. Friction Attenuation: An Inherent Amplitude Dependence. Journal of Geophysical Research. 1979;84(9):4769–4775.

10. Nishino Y., Asano S., Amplitude-dependent internal friction and microplasticity in thin-film materials. Journal de Physique. 1996;(06):C8-783–C8-786. https://doi.org/10.1051/jp4:19968167

11. Nourifard N., Lebedev M. Research note: the effect of strain amplitude produced by Ultrasonic waves on its velocity. Geophysical Prospecting. 2019;67(4):715–722. https://doi.org/10.1111/1365-2478.12674

12. Nourifard N., Mashinskii E., Lebedev M. The effect of wave amplitude on S- wave velocity in porous media: an experimental study by Laser Doppler Interferometry. Exploration Geophysics. 2019;50(6):683–691. https://doi.org/10.1080/08123985.2019.1667228

13. Zaitsev V. Yu., Nazarov V. E., Talanov V. I. Experimental Study of the self-action of seismoacoustic waves. Acoustic Physics. 1999;45(6):720–726.

14. Tutuncu A. N., Podio A. L., Sharma M. An experimental investigation of factors influencing compressional- and shear-wave velocities and attenuations in tight gas sandstones. Geophysics. 1994;59(1):77–86. https://doi.org/10.1190/1.1443536

15. Winkler K. W., Nur A., Gladwin M. Friction and seismic attenuation in rocks. Nature. 1979;277:528–531. https://doi.org/10.1038/277528a0

16. Derlet P. M., Maaf R. Micro-plasticity and intermittent dislocation activity in a simplied micro structural model. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2013;21(3):035007. https://doi.org/10.1088/0965-0393/21/3/035007

17. Guyer R. A., McCall K. R., Boitnott G. N. Hysteresis, Discrete Memory and Nonlinear Wave Propagation in Rock: a New Paradigm. Physical Review Letters. 1995;74(17):3491–3494. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.3491

18. Guyer R. A., Johnson P. A. Nonlinear mesoscopic elasticity: Evidence for a new class of materials. Physics Today. 1999;52(4):30–36.

19. Mashinskii E. I. Difference between static and dynamic elastic moduli of rocks: Physical causes. Russian Geology and Geophysics. 2003;44(9):953–959.

20. McCall K. R., Guyer R. A. Equation of State and Wave Propagation in Hysteretic Nonlinear Elastic Materials. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 1994;99:23887–23897. https://doi.org/10.1029/94JB01941

21. Duretz, T., Souche, A., Borst R., Le Pourhiet, L. The Benefits of Using a Consistent Tangent Operator for Viscoelastoplastic Computations in Geodynamics. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2018;19(12):4904–4924. https://doi.org/10.1029/2018GC007877

22. Golovin I. S., Sinning H.-R., Goken J. Riehemann W. Fatigue-related damping in some cellular metallic materials. Materials Science and Engineering: A. 2004;370(1-2):537–541. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.08.090

23. Golovin I. S., Pavlova T. S., Golovina S. B. et al. Effect of severe plastic deformation of Fe–26 at. Al and titanium on internal friction. Materials Science and Engineering: A. 2006;442(1–2):165–169. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.12.081

24. Sajeva A., Filograsso R., Capaccioli S. Including plastic behaviour in the Preisach-Mayergoyz space to find static and dynamic bulk moduli in granular media. In: Conference: SEG Technical Program Expanded Abstracts; 2018. https://doi.org/10.1190/segam2018-2994837.1

25. Kim J.-Y., Qu J., Jacobs L. J., Littles J. W., Savage M. F. Acoustic Nonlinearity Parameter Due to Microplasticity. Journal of Nondestructive Evaluation. 2006;25(1):28–36. https://doi.org/10.1007/s10921-006-0004-7

26. Mashinskii E. I. Jump-like inelasticity in sandstone and its effect on the amplitude dependence of P-wave attenuation: An experimental study. Wave Motion. 2020;97:102585. https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2020.102585

27. Wang J., Li Q., Yang Ch., Zhou C. Repeated loading model for elastic–plastic contact of geomaterial. Advances in Mechanical Engineering. 2018;10(7):1–15. https://doi.org/10.1177/1687814018788778

28. Yarushina V. M., Podladchikov Y. Y. Microscale yielding as mechanism for low-frequency intrinsic seismic wave attenuation. In: 70th EAGE Conference & Exhibition, June 2008. Rome, Italy; 2008. P. 9–12. https://doi.org/10.3997/2214-4609.20147947

29. Zhou C., Bulent Biner, Richard LeSar. Discrete dislocation dynamics simulations of plasticity at small scales. Acta Materialia. 2010;58:1565–1577. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.11.001

30. Егоров Г. В., Носов В. М., Маньковский В. В. Экспериментальная оценка нелинейных упругих параметров сухой и флюидо-насыщенной пористой среды. Геология и геофизика. 1999;40(3):457–464.