Исследование эмиссии электрических зарядов и электромагнитного излучения, связанных с эффектами деформации и фрагментации, предшествующих разрушению кристаллических материалов и горных пород

Исследование эмиссии электрических зарядов и электромагнитного излучения, связанных с эффектами деформации и фрагментации, предшествующих разрушению кристаллических

материалов и горных пород

В. Хэджиконтис, Е.Е. Дерюгин1, В.Е. Панин1, К. Мэвромэтоу, К. Эфтаксиас

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Афинский университет, Афины, 16121, Греция

Исследованы эффекты электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии при сжатии гранита, мрамора и монокристаллов LiF. Обнаружено большое сходство качественного изменения амплитуды измеряемых сигналов различной физической природы с увеличением внешнего напряжения до разрушения. На примере исследования токов поляризации в монокристаллах LiF показано, что существует четкая связь качественного и количественного изменения амплитуды сигнала со стадиями развития локализованных сдвигов в объеме материала. Масштабные уровни локализации пластической деформации кристаллических материалов и горных пород при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Полученные данные анализируются с позиции представлений физической мезомеханики. Обсуждается возможность использования эффектов электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии для предсказания землетрясений.

Monitoring of dynamic evolution of deformation and fragmentation phenomena up to failure, for crystalline materials and rocks

V. Hadjicontis, E.E. Deryugin, V.E. Panin, C. Mavromatou, K. Eftaxias

On the basis of physical mesomechanics association between electrical polarization, electromagnetic signals and plastic flow localization scale levels was investigated, for LiF singlecrystals and rocks. There is distinct correlation between signal variation rate and stages of local shear developments in single crystal volume. Scale levels of plastic flow localization under compression are similar to those under tension of metal materials. The possibility of using revealed effects as earthquake precursors is discussed.

1. Введение

Известно, что в сейсмически опасных регионах почти постоянно ощущаются подземные толчки, незаметные для окружающих. Они фиксируются лишь сейсмографами, и сила их редко превышает один балл по шкале Рихтера. Причиной толчков являются процессы разрушения грунта, протекающие в локальных зонах соприкосновения тектонических плит, где возникают критические напряжения в процессе смещения плит друг относительно друга. В зависимости от масштаба зоны высвобождается соответствующая упругая энергия, и сейсмограф регистрирует толчок определенной амплитуды. На известных участках границы соприкосновения, где выступы, цепляющиеся друг за друга, оказываются исполинскими, высокие напряжения охватывают огромные площади. В определенный момент сцепившиеся участки теряют сдвиговую устойчивость, разрушаются

и вызывают землетрясение. Как правило, землетрясению предшествуют специфические эффекты электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии. В связи с этим в геотектонике эффекты акустической эмиссии, электромагнитного излучения и появления на поверхности Земли электрических зарядов рассматриваются как предвестники землетрясения [1-4].

Настоящая работа посвящена исследованию связи масштабных уровней локализации пластической деформации и разрушения кристаллических материалов и горных пород с характеристиками индуцированных электрических, электромагнитных и звуковых сигналов при сжатии на основе представлений мезомеханики. Обсуждение проводится в рамках проблем мезомеха-ники землетрясений. Постановка задачи актуальна, поскольку взаимосвязь характеристик токов поляризации

© Хэджиконтис В., Дерюгин Е.Е., Панин В.Е., Мэвромэтоу К., Эфтаксиас К., 2004

Рис. 1. Зависимости нагрузки (а), тока поляризации (б) и производной нагрузки (в) от времени при сжатии мрамора

и электромагнитных сигналов с колебаниями земной коры может быть корректно описана только с учетом масштабных уровней деформации и разрушения взаимодействующих слоев движущихся тектонических плит.

2. Материалы и методика исследования

Сигналы акустической эмиссии, электромагнитного излучения и электрической поляризации исследовали для случая сжатия образцов мрамора, гранита и монокристаллов ЫК Электромагнитную эмиссию фиксировали с помощью антенны в непосредственной близости от поверхности образца. Сигналы акустической эмиссии поступали от пьезоэлектрического датчика, а ток поляризации — от электродов на поверхности образца. Образцы имели длину 15 ±2 мм и сечение 5х5±1 мм. Связь сигналов с локализацией деформации исследовали на примере изменения тока поляризации в процессе нагружения монокристалла LiF до разрушения. Использовали вариант по датчику на противоположных сторонах кристалла и варианты датчиков на одной стороне кристалла: один в центре, два датчика у торцов и, наконец, два датчика у торцов и один в центре. Данные эксперимента представляли в виде зависимостей амплитуды сигналов от времени.

Нагружение монокристаллов LiF осуществляли на установке типа ИМАШ при комнатной температуре со скоростью 1.5-10-3 мм/с в направлении [100]. С помощью оптико-телевизионной измерительной системы [5] получали поля векторов смещений с разрешающей способностью 144 вектора на мм2.

3. Эффекты электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии

При сжатии в выбранных материалах индуцируются токи поляризации. Рисунок 1 иллюстрирует факт, что малейшие колебания нагрузки вызывают существенные

Время

Рис. 2. Временные зависимости нагрузки (а) и тока поляризации (б) при сжатии гранита

колебания амплитуды тока поляризации. Сравнение рис. 1, б и в показывает, что в первом приближении величина тока поляризации пропорциональна производной напряжения по времени. Рисунок 2 на примере мрамора показывает, что при постоянной нагрузке токи поляризации не индуцируются. Непрерывное уменьшение напряжения индуцирует в мраморе и граните токи противоположного знака. В данных материалах заметные токи поляризации возникают с самого начала нагружения на стадии упругой деформации.

При сжатии монокристаллов LiF наблюдается иная закономерность. Во-первых, датчик фиксирует заметную величину тока поляризации i, начиная с определенной величины внешнего напряжения а. На рис. 3 данный момент отмечен пунктирной линией. Во-вторых, разгрузка монокристалла не вызывает токов поляризации противоположного знака. Все это свидетельствует о том, что заметный эффект электрической поляризации наблюдается с началом макропластической деформации. В связи с этим монокристаллы LiF являются удобным объектом для исследования связи локализации деформации с эмиссией электрических зарядов и электромагнитного излучения.

Сравнение кривых, приведенных на рис. 4, обнаруживает качественно одинаковое влияние процессов предразрушения на сигналы электрической поляризации (б, в), электромагнитного излучения (г) и акустической эмиссии (д). Перед разрушением резко возрастают величина и осцилляция сигналов, обусловленных возникновением в объеме монокристалла грубых полос

Рис. 3. Временные зависимости нагрузки (а) и тока поляризации (б) при сжатии LiF

Время

Рис. 4. Зависимости напряжения (а), токов поляризации (б, в), сигналов электромагнитного излучения (г) и акустической эмиссии (д) от времени. Нагружение монокристалла LiF до разрушения

локализованной деформации и микротрещин. Это сопровождается сигналами с двумя дискретными спектрами частот.

На стадии развитой пластической деформации знаки и величина токов зависят от расположения датчиков. Три датчика на одной стороне кристалла фиксируют сигналы разной величины и знака, что свидетельствует о крайне неравномерном распределении зарядов на поверхности кристалла. Датчики на противоположных сторонах кристалла дают токи противоположных знаков (рис. 5). Качественные особенности кривых при этом идентичны. То же самое наблюдается в случае двух датчиков на одной стороне кристалла у торцов. При этом на стадии предразрушения датчики выдают сигналы од-

-

- МмЛ ^ 1-.

1 1 с

Время

Рис. 5. Зависимости напряжения (а) и токов поляризации (б, в) от времени. Вариант датчиков на противоположных сторонах кристалла LiF

Рис. 6. Развитие тонкого скольжения в монокристалле LiF

ного знака (рис. 4). По-видимому, это связано с эффектом изгиба-кручения в зоне макролокализации деформации.

4. Развитие локализации деформации

Кривые «напряжение - деформация» при сжатии монокристаллов LiF имеют слабо выраженную стадию легкого скольжения, связанную с распространением вдоль кристалла тонкого одиночного скольжения (рис. 6). На определенном этапе нагружения в локальной зоне тонкого скольжения вследствие эффекта изгиба зарождаются полосы локализованного сдвига миллиметрового диапазона (рис. 7) в виде ступенек на расстоянии ~ 1 мм друг от друга. Происходит быстрое вовлечение множественного скольжения. Это обусловливает наличие на кривой а-е протяженной стадии с непрерывно возрастающим коэффициентом деформационного упрочнения.

На стадии развития полос локализованного сдвига миллиметрового диапазона знаки компонент тензора дисторсии противоположны таковым для тонкого скольжения (рис. 8). Следовательно, полосы локализованного сдвига — это полосы сброса по отношению к легкому скольжению. Развитие легкого скольжения с периоди-

Рис. 7. Формирование полосы локализованного сдвига миллиметрового диапазона: £р = 6.2

сброса

Рис. 8. Распределение вдоль оси сжатия сдвиговой Е^, и поворотной

компонент тензора дисторсии: на стадии тонкого скольжения

ческим возникновением полос сброса обеспечивает сдвиговую устойчивость образца в целом на макромасштабном уровне. Схема образования полос локализованного сдвига приведена на рис. 9.

На стадии предразрушения макролокализация грубых полос сдвига обусловливает сильные эффекты изгиба-кручения (поворотная мода ю2 тензора дисторсии имеет одно направление). Формируется «бочка». У торцов и на боках «бочки» возникают и развиваются трещины по плоскости спайности, ослабляя сопротивление кристалла внешнему воздействию. Наступает стадия глобальной потери сдвиговой устойчивости образца как целого. Таким образом в основе механизма разрушения монокристалла LiF при сжатии лежит эффект изгиба-кручения в зоне макролокализации деформации.

5. Заключение

Сопоставление стадийности эффекта электрической поляризации и механизмов локализации деформации на различных масштабных уровнях показало, что наблюдается хорошая корреляция возникновения токов поляризации на поверхности кристаллических материалов и горных пород при сжатии с масштабными уровнями локализации пластического течения в деформируемом материале. Формирование полос сброса на фоне тонкого скольжения обусловливают зубчатый характер кривых «ток поляризации - время» i = ;'((). На стадии предразрушения наблюдается резкое увеличение сигналов электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии, возникают аномальные осцилляции сигналов противоположных знаков. Их значения в несколько раз превышают среднюю величину амплитуды сигналов.

Рис. 9. Тонкое скольжение и полосы сброса на узкой А и широкой В гранях монокристалла при сжатии

Таким образом, закономерности i = i(t) существенно отличаются для стадий квазиоднородного тонкого скольжения, формирования полос локализованного сдвига миллиметрового диапазона и макролокализации деформации перед разрушением кристалла. Практический интерес представляет стадия предразрушения. Аномальные эффекты могут служить предвестником землетрясений при измерении сигналов электрической поляризации в земной коре. Возникновение электрических зарядов на стадии предразрушения в поверхностных слоях взаимодействующих тектонических плит должно сопровождаться излучением электромагнитных волн с двумя дискретными спектрами частот. Такие эффекты подробно изучаются как предвестники землетрясений [6, 7]. При комнатной температуре хрупкость гранитов не позволяет выявить у них стадийность электрической поляризации, как это обнаруживается при сжатии пластичных монокристаллов LiF. Но в условиях высокого всестороннего давления в земной коре такую стадийность можно ожидать и в поверхностных слоях взаимодействующих тектонических плит.

Литература

1. Varotsos P., Lasariodu M. Latest aspects of earthquake prediction in Greece based on seismic electric signals. I // Tectonophysics. - 1991. — No. 188. — P. 321—347.

2. Varotsos P., Alexopoulos K., Lasariodu M. Latest aspects of earthquake prediction in Greece based on seismic electric signals. II // Tectonophysics. — 1993. — No. 224. — P. 1—37.

3. Hadjicontis V, Mavromatou C., Enomoto Y Electric signals emitted by LiF ionic crystals during their deformation // Proceedings of Int. Conf. on Defects in Insulating Materials. — North Carolina: Trans Tech Publications, 1996. — P. 416.

4. Mavromatou C., Hadjicontis V Laboratory investigation of electric signals preceding the fracture of crystalline insulators // Earthquake Thermodynamics and Phase Transformations in the Earth’s Interior: Academic Press, 2001. - P. 501—517.

5. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. — Новосибирск: Наука, 1995. — Т. 1. — 298 с., Т. 2. — 320 с.

6. Eftaxias K., Kopanas J., Bogris N., Kapiris P., Antonopoulos G., Varotsos P. Detection of Electromagnetic Earthquake precursority signals in Greece // Proc. Japan Acad. — 2000. — V. 76. — Ser. B. — No. 4. — P. 45—50.

7. Eftaxias K., Kapiris P., Polygiannakis J. Signature of Pending Earthquake from Electromagnetic Anomalies // Geophisical Research Letter. — 2001. — V. 28. — No. 17. — P. 3321—3324.