Излучение от трещины сдвига
|
Изучение особенностей излучения, сопровождающего возникновение и развитие трещин сдвига, позволяет выявить природу землетрясений, горных ударов и трещинообразований перед разрушением. В качестве одной из моделей сдвига используют разрыв сплошности в земной коре со скольжением берегов разрыва. При этом возможно либо образование нового разрыва, либо скольжение по уже имеющемуся разрыву. Рассмотрим простую модель в виде сдвига по готовому разрыву внутри материала, при условии, что увеличение нагрузки приводит к возникновению проскальзывания берегов разрыва относительно друг друга отдельными срывами с излучением упругих волн. В такой модели резкий спад напряжения происходит на плоскости трещины по мере ее роста до какого-то постоянного или медленно изменяющегося напряжения, обусловленного влиянием сил трения. Среда за пределами трещины остается идеально упругой; вблизи вершины трещины существует зона неупругого разрушения, называемая еще пластической зоной. Параметры акустического сигнала, излучаемого сдвиговой трещиной, зависят от ее длины, скорости роста, характера сцепления между берегами. В случае двустороннего разрыва движение начинается в середине будущей трещины и распространяется, затухая, к ее вершинам. Тогда скорость распространения разрыва определяется делением половины длины разрыва на длительность импульса. При малых скоростях (которые в 2 раза и более меньше скорости распространения поперечных волн) возникают импульсы большой длительности, что соответствует большей длине волны. B этом случае, как правило, трещина сдвига по отношению к длине волны может рассматриваться как точечный источник упругих волн. Тогда диаграммы направленности излучения для продольной и поперечной волн, распространяющихся от источника, можно представить в виде диаграмм для элементарного источника. Иными словами, малая скорость распространения разрыва не искажает диаграмму направленности за исключением лишь приближения к нодальным линиям, которые для продольной волны располагаются в направлении разрыва под углами 0 и 180° и перпендикулярно к нему (90 и 270°), а для поперечной — соответственно 45 и 135°, 225 и 315°. При малой скорости разрыва отношение амплитуд колебаний для поперечной и продольной волн может достигать 3—4, длительность импульса практически нe зависит от угла, при котором производится регистрация акустического сигнала. При больших скоростях распространения разрыва, приближающихся к теоретическому пределу, диаграмма направленности излучения искажается, возникает заметное отклонение максимума излучения в сторону направления разрыва, т. е. большая часть энергии излучается вдоль направления разрыва, а соотношение амплитуд колебаний для поперечной и продольной волн уменьшается до 1,7—1,9. Длина разрыва при этом равна длине волны или может быть меньше ее. В начальной части разрыва излучение заметно запаздывает относительно распространения разрыва. Это связано с тем, что излучение начинается, когда подвижка произошла уже примерно в середине разрыва. Амплитуда возникающего при сдвиге упругого импульса зависит от ориентации площадки разрыва по отношению к направлению приложения вертикальной нагрузки и имеет наибольшее значение при угле 60°, а наименьшее — при 30°, т. е. она максимальна, когда сила трения на разрыве наибольшая. Особенностью излучения при больших скоростях развития сдвига является наличие высокочастотных составляющих колебаний в направлении распространения разрыва. В окрестности плоскости разрыва возникают волны сжатия, которые при удалении от трещины и приближении к обнаженной поверхности массива могут заменяться волнами растяжения. Одновременно с этим будет изменяться и диаграмма направленности излучения. Чем ближе расположена трещина к свободной поверхности, тем больше амплитуда волн растяжения. При приближении разрыва к поверхности силы трения между берегами трещины уменьшаются, снижается скорость распространения разрыва, увеличивается длительность излучаемых импульсов (по отношению к разрыву, находящемуся на глубине, в 1,2—1,3 раза). Параметры акустического сигнала, излучаемого при сдвиговом разрыве в массиве, зависят от условий на берегах трещины — сил сцепления между ними и распределения этих сил. Последнее позволяет представить два вида разрывов с гладким и дискретным точечным зацеплением вдоль плоскости трещины.  При гладком разрыве спектр упругого импульса (рис. 46, а) состоит из двух участков: низкочастотного (условно горизонтальная прямая) и высокочастотного (условно наклонная). Последний представляет собой ряд дополнительных максимумов, убывающих с увеличением частоты. Абсцисса точки пересечения этих прямых называется частотой угла спектра (fc), которая зависит от длины разрыва. Высокочастотная часть спектра убывает пропорционально частоте f в минус второй степени. Наличие дискретных точечных зацеплений вдоль трещинной поверхности приводит к снижению скорости распространения разрыва. Фарма импульса такой трещины становится изрезанной, так как особенности поверхности на ее берегах приводят к возникновению неравномерных, прерывистых движений. Огибающая спектров излучаемых импульсов (рис. 46, б) в этом случае представлена тремя условными линиями: горизонтальной в низкочастотной части спектра и двумя наклонными (в высокочастотной). Наклон условно ограничивающих линий соответствует в начальной высокочастотной части убыванию ее обратно пропорционально корню квадратному из частоты, а далее — как и в случае гладкого разрыва. При этом с уменьшением шага между точечными зацеплениями на трещине разность частот (fc2—fc1) увеличивается за счет некоторого снижения fc1 и возрастания fс2, т. е. прерывистость движения приводит к повышению уровня высокочастотной части спектра. Если разрыв происходит на границе двух разных жесткостей, то амплитуды смещения продольных волн в точках, симметричных относительно разрыва, различны (в менее жестком материале они больше), что приводит к искажению диаграмм направленности излучения. |
