Влияние амплитуды деформации и всестороннего давления на скорость и затухание P- и S-волн в сухом и водонасыщенном песчанике: экспериментальное исследование

В физике горных пород большое внимание уделяется изучению процессов деформирования природных материалов на малых деформациях. Эксперименты проводятся с помощью высокоточных измерений, которые позволяют получить новые знания на микро/нано уровне. Микропластичность твердых тел изучают в материаловедении, но имеются также данные, полученные для некоторых горных пород. Свойство микро-пластичности природных материалов пока мало изучено. Исследование проводилось на образцах пород. Изучено влияние амплитуды деформации и всестороннего давления на скорость и затухание Pи S-волн в сухом и водонасыщенном песчанике. Использовался метод отраженных волн в диапазоне частот (0,5–1,4) МГц при четырех амплитудах деформации (0,5–1,67)·10⁻⁶ Циклическое изменение амплитуды вызывает эффект открытого и закрытого гистерезиса для скорости волны и затухания. Это наблюдается как для сухого, так и водонасыщенного состояния песчаника. В обоих состояниях имеет место перехлест петлей гистерезиса. Амплитудное изменение скорости P-волны в сухом песчанике составляет 1,12 %, а для затухания P-волны в сухом песчанике – 5,43 %. На S-волне максимальное затухание в сухом песчанике достигает 8,81 %. Поведение скорости и затухания волны можно объяснить совместным действием процессов вязко-упругости и микро-пластичности. Упругопластический переход сильно зависит от деталей микроструктуры, ее дефектности и других параметров. Характеристики осложнений параметров волн могут являться признаками внутреннего строения исследуемого объекта.

1. Гущин В. В.; Павленко О.В. Изучение нелинейно-упругих свойств земных пород по сейсмическим данным. В: Современная сейсмология. Достижения и проблемы. Т. 13. М.; 1998.

2. Егоров Г.В. Вариация нелинейных параметров консолидированного пористого водонасыщенного образца в зависимости от степени газонасыщения. Физическая мезомеханика. 2007;10(1):107–110.

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

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

5. Diallo M. S., Prasad M., Appel E. Comparison between experimental results and theoretical predictions for P-wave velocity and attenuation at ultrasonic frequency. Wave Motion. 2003;37(1):1–16. https://doi.org/10.1016/S0165-2125(02)00018-5

6. 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

7. Golovin I. S., Pavlova T.S., Golovina S. B. et al. Effect of severe plastic deformation on internal friction of an Fe–26at.% Al alloy and titanium. Materials Science and Engineering: A. 2006;442(1–2):165–169.

8. Guyer R. A., Johnson P.A. Nonlinear mesoscopic elasticity: Evidence for a new class of materials. Physics Today. 1999;52(4):30–36. https://doi.org/10.1063/1.882648

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

10. Derlet P.M., Maaß R. Micro-plasticity and intermittent dislocation activity in a simplied micro structural model. arXiv:1205.1486v2. Condensed Matter – Materials Science. 8 February 2013. https://doi.org/10.48550/ arXiv.1205.1486

11. Mashinskii E. I. Amplitude-frequency dependencies of wave attenuation in single-crystal quartz: experimental study. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 2008;113(B11). https://doi.org/10.1029/2008JB005719

12. Mashinskii E. I. Seismo-micro-plasticity phenomenon in the rocks. Natural Science. 2010;2(3):155–159. https://doi.org/10.4236/ns.2010.23025

13. 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

14. Huang J., Zhao M.,•Du X. et al. An elasto-plastic damage model for rocks based on a new nonlinear strength criterion. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2018;51:1413–1429. https://doi.org/10.1007/s00603018-1417-1

15. Vodenitcharova T., Zhang L. C. A new constitutive model for the phase transformations in monocrystalline silicon. International Journal of Solids and Structures. 2004;41(18–19):5411–5424. https://doi.org/10.1007/s00603-018-1417-1

16. Liu Y., Dai F., Feng P., Xu N.-W. Mechanical behavior of intermittent jointed rocks under random cyclic compression with different loading parameters. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2018;113:12–24. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2018.05.030

17. 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

18. 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

19. Baud P., Vajdova V., Wong T. Shear-enhanced compaction and strain localization: Inelastic deformation and constitutive modeling of four porous sandstones. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 2006;111(B12). https://doi.org/10.1029/2005JB004101

20. Gurmani S. F., Jahn S., Brasse H., Schilling F. R. Atomic scale view on partially molten rocks: Molecular dynamics simulations of melt-wetted olivine grain boundaries. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 2011;116(B12). https://doi.org/10.1029/2011JB008519

21. Olsson A. K., Austrell P.-E. A fitting procedure for viscoelastic-elastoplastic material models. In: Proceedings of the Second European Conference on Constitutive Models for Rubber. Hannover, Germany, 10–12 September 2001.

22. Головин Ю.И., Дуб С. Н., Иволгин В. И. и др. Кинетические особенности деформации твердых тел в нано-микрообъемах. Физика твердого тела. 2005;47(6):961–973.

23. Песчанская Н. Н., Смирнов Б. И., Шпейзман В. В. Скачкообразная микро-деформация в нано-структурных материалах. Физика твердого тела. 2008;50(5):815–819.

24. Zhou C., Biner S. B., LeSar R. Discrete dislocation dynamics simulations of plasticity at small scales. ActaMaterialia. 2010;58:1565–1577.

25. Luo Sh.-N., Swadener J. G., Ma Ch., Tschauner O. Examining crystallographic orientation dependence of hardness of silica stishovite. Physica B: Condensed Matter. 2007;399(2):138–142. https://doi.org/10.1016/j. physb.2007.06.011

26. Yin H., Zhang G. Nanoindentation behavior of muscovite subjected to repeated loading. Journal of Nanomechanics and Micromechanics. 2011;1(2):72–83. https://doi.org/10.1061/(asce)nm.2153-5477.0000033

27. Mashinskii E.I., Dynamic micro-plasticity manifestation in consolidated sandstone in the acoustical frequency range. Geophysical Prospecting. 2016;64:1588–1601. https://doi.org/10.1111/1365-2478.12368

28. Nishinoa Y., Kawaguchia R., Tamaokaa S., Idea N. Amplitude-dependent internal friction study of fatigue deterioration in carbon fiber reinforced plastic laminates. Materials Research. 2018;21(2):e20170858. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2017-0858

29. Johnston D.H., Toksoz M. N. Thermal cracking and amplitude dependent attenuation. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 1980;85(B2):937–942. https://doi.org/10.1029/JB085iB02p00937

30. Jones S. M. Velocity and quality factors of sedimentary rocks at low and high effective pressures. Geophysical Journal International. 1995;123(3):774–780. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1995.tb06889.x

31. Mavko G. M. Frictional attenuation: an inherent amplitude dependence. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 1979;84(B9):4769–4775. https://doi.org/10.1029/JB084iB09p04769

32. Winkler K. W. Frequence dependent ultrasonic properties of high-porosity sandstones. Journal of Geophysical Research. Solid Earth. 1983;88(B11):9493–9499. https://doi.org/10.1029/JB088iB11p09493