О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОРОДАХ

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АКУСТИЧЕСКОЙ
ЭМИССИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОРОДАХ
ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.
Аракчеева Я.А., Панасьян Л.Л., Фролова Ю.В.
Геологический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова,
e-mail: skalka@geol.msu.ru
THE APPLICATION OF ACOUSTIC EMISSION FOR ASSESSMENT
OF STRESS LEVELS IN ROCKS FROM GEOTHERMAL FIELDS
Arakcheeva Ya.A., Panasian L.L., Frolova J.V.
Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geology
Stress memory is studied for core samples by means of acoustic
emission. The object of our research is geothermal field located on Iturup
Island (the Kurils). Samples description, the study of composition and
structure, definition of physical properties, and measurements of AE
characteristics during uniaxial loading have been done. The diagrams AE
versus stress for rocks from different hydrothermal zones have been
obtained by results of laboratory experiments. Several stress levels
developing in rock massive have been defined. Among obtained stresses
the values coinciding with gravity have been discovered.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования
геотермальных месторождений в Исландии, Италии, США, Японии,
Новой Зеландии, России и решаются, как прикладные, так и
научные вопросы. Нами изучались состав и структура пород,
определялись физические характеристики и проводились испытания
на одноосное сжатие с одновременным измерением акустоэмиссионных (АЭ) параметров. Исследовались туфы Океанского
геотермального
месторождения
(вулкан
Баранский),
расположенного в центральной части о. Итуруп. На основе
известного эффекта Кайзера и свойств памяти stress memory
(память о напряжении) и felicity ratio (коэффициент сохранности)
возможна оценка нескольких уровней напряжений, которые
испытывал массив пород in situ. Геологический разрез представлен
разнообразными туфами неоген-четвертичного возраста от
дацитового до андезибазальтового состава, с потоками лав и
дайками того же состава. Вулканогенная толща преобразована под
действием термальных вод. Для этой геотермальной системы был
установлен зональный характер гидротермальных изменений пород
по разрезу. Сверху вниз до глубины 1200 м выделено 7 зон,
выраженных в смене набора вторичных минералов: опалиты,
гидротермальные аргиллиты, аргиллизированные пропилиты,
низкотемпературные пропилиты, среднетемпературные пропилиты,
вторичные кварциты, и особая зона вскипания.
Типы графиков ΣАЭ=f(σ), отражающие поведение эмиссии при
различном характере разрушения показаны на рис.1. В основном,
кривые ΣАЭ=f(σ) для данных образцов имеют вид (рис.1в). Для
крупнопсефитовых туфов из зоны низкотемпературных пропиллитов
экспериментальные кривые имеют ступенчатый характер (рис.1г.).
уровни превышений акустической
активности
Рис.1. Типы графиков, отражающие поведение эмиссии при
различном характере разрушения
6
54-107(1)
54-107(3)
54-107(2)
5
4
3
2
1
0
20
30
40
50
60
70
напряжение,кг/cм²
Рис.2. Диаграмма зависимости уровней превышений АЭ от
напряжения для крупнопсефитового туфа
Методика
определения
напряжений
на
образцах
разрабатывалась в 80-х годах [1]. В процессе испытаний, при
одноосном нагружении, вызывающем механическую перестройку
структуры горных пород, регистрируются различные параметры АЭ.
Нами анализировались счёт АЭ и время наступления события. По
кривым зависимости суммарного счета от напряжения (ΣАЭ=f(σ))
определяются: напряжение в каждый зафиксированный по
излучению момент времени, превышение порогового уровня
эмиссии, средний прирост суммарного счёта и характерное для
каждого типа пород приращение, отношение общего приращения
АЭ к приращениям на локальных участках. Для оценки напряжений
учитываются только те значения, которые превышают общий фон в
несколько раз и являются характерными для данного типа породы
(рис.2.).
С помощью акустической эмиссии в породах разных
гидротермальных зон обнаружено несколько уровней напряжений.
Из зоны опалитов испытано два типа пород: крупнопсефитовые
туфы с глубины 39 м и андезиты с 57 м. Первые содержат много
опала, что определило высокие напряжения (12 – 28 МПа), которые
могли сохраниться в зависимости от его количества. А различные
диапазоны напряжений от 11 до 55 МПа в андезитах отражают
перепады напряжений не только при внедрении дайкового комплекса,
но и неравномерность поля напряжений при трещинообразовании в
высокопрочных породах. Это подтверждается наличием в андезитах
разного количества мелких трещин.
Мелкообломочные туфы с глубин 157, 350-360 м располагаются в
зонах
гидротермальных
аргиллитов
и
аргиллизированных
пропилитов, для которых характерно наличие большого количества
различных глинистых минералов: монтмориллонита, хлорита,
смешаннослойных, заполняющих промежутки между зернами, а
также выполняюших трещины. Высокое содержание этих минералов
приводит к снижению прочности туфов, повышению пористости и к
затуханию эмиссии. Независимо от глубины отбора образцов, в них
зафиксированы пониженные уровни напряжений: 8 – 16 МПа.
Крупнопсефитовые туфы с глубин от 420 до 540 м состоят из
сцементированных, окатанных обломков андезитов различных
размеров и располагаются в зоне низкотемпературных пропилитов.
Их особенностью является наличие большого количества вторичных
минералов, что отражается в неоднозначности поведения АЭ при
нагружении. Так, в связи с наличием обломков разных размеров,
которые в процессе нагружения могут начать соприкасаться друг с
другом, всплески на кривых скорее отражают этот процесс и
разрушение более слабых частей породы, чем общие уровни
напряжений, которым она подвергалась в массиве. Об этом же
свидетельствуют выявленные диапазоны величин напряжений от 3 до 33 МПа. Для крупнопсефитовых туфов независимо от глубины их
залегания и зоны гидротермальной переработки выявлено два
типичных уровня напряжений, составляющих 4-5 и 12-19 МПа.
Особое место занимают пробы пород, отобранные с глубин 572,
618, 708 м из зоны вскипания гидротерм, представленные
псаммитовыми и псефитовыми туфами. Для этой зоны характерен
разнообразный набор вторичных минералов: от хлорита до кварца,
различное содержание которых приводит к тому, что в породе
сохраняются разные уровни напряжений. Наличие первого снижает
уровни напряжений (13 МПа), второго - существенно увеличивает
(90 МПа), что и фиксируется по АЭ. Для пород этой зоны поведение
эмиссии отличается от образцов других зон. В частности, на
протяжении всего опыта излучение акустических сигналов небольшие,
но с резкими выбросами сигналов очень большой интенсивности.
В дайковых образованиях андезитового и диоритового состава,
отобранных с глубин 646 и 840 м, расположенных в зоне
среднетемпературных пропилитов, независимо от глубины и
расположения в зонах выявлены близкие уровни напряжений,
возможно, связанные с этапами внедрения дайкового комплекса. Они
составляют в среднем 13, 16, 26-30, 45 МПа.
Отобранный с глубины 1060 метров псаммитовый туф относится к
зоне вторичных кварцитов. Содержание кварца в этой породе 44%.
Установленный высокий уровень напряжений до 46 МПа на этой
глубине, является следствием большого содержания кварца, который
выдерживает высокие напряжения.
Таким образом, с помощью АЭ можно выявить несколько уровней
напряжений, которые развивались в массиве пород. Часть из них,
вероятно, связана с зонами гидротермальной переработки, с
вторичными изменениями, перекристаллизацией породы, другие - с
тектоническими
силами
и
сейсмическими
воздействиями.
Однозначная идентификация напряжений в связи с разнообразными
процессами на данном этапе исследований не возможна. Среди
выявленных
уровней
напряжений,
обнаружены
величины,
соответствующие,
гравитационным,
например,
для
туфов
отобранных с глубин 350, 620, 650, 710 и 840 м.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 0507-00118-а).
Литература.
1.Лавров А.В., Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л. Акустоэмиссионный
эффект памяти в горных породах. – М.: Изд-во Моск. Горного Ун-та,
2004. – 456 с.
2. Панасьян Л.Л., Петровский М.А. Об использовании эффекта
Кайзера для оценки напряжений в горных породах. //Ж.
“Инженерная геология”. 1984. N 2, с. 114-119