Keywords
deformations
fracture
strain gauge
acoustic events
earthquakes
Section
Abstract
In this paper, the relationship of the Lode–Nadai coefficient, which determines the shape of the stress ellipsoid, with the nature of brittle fracture in sandstone, pyrophyllite and dolomite samples for a rigid loading machine is investigated. The measurement of the inhomogeneous deformation field in the samples and the observation of the internal fracture process were performed using strain gauges and acoustic sensors. It is shown that the formation of the main crack is preceded by the evolution of local deformations in the sample, recorded by the strain gauge method. Special processing of strain gauge data, taking into account the free lateral surface of the samples, made it possible to calculate the principle deformations and three invariants of the strain tensor: maximum shear deformation, volume change deformation
and the Lode–Nadai coefficient. It has been established that at the final stage of deformation, when a main crack is formed in local sections of the sample, the axes of the principal deformations are reindexed, which is expressed in the achievement of the maximum values of +1 and -1 by the Lode–Nadai coefficient.
A comparison with field observations was made.
References
Виноградов С.Д. Акустический метод в исследованиях по физике землетрясений. М.: Наука, 1989. 175 с. [Vinogradov S.D. Acoustic method in research on earthquake physics. Moscow: Nauka, 1989. 175 p. (in Russian)].
Гущенко О.И. Кинематический метод определения параметров напряжений и характеристика их связей с тектоническими движениями по разрывам разных структурных уровней // Автореф. дис. …канд. геол.-минерал. наук. М., 1981. 21 с. [Gushchenko O.I. Kinematic method for determining stress parameters and characterization of their connections with tectonic movements by discontinuities of different structural levels // Autoref. dis. ...candidate of geol.-mineral. nauk. Moscow: 1981. 21 p. (in Russian)].
Гущенко О.И. Определение тектонических полей напряжений методом кинематического анализа структур разрушения (в связи с прогнозом сейсмической опасности) // Природа и методология определения тектонических напряжений в верхней части земной коры. Апатиты: Кольский филиал АН СССР, 1982. С. 35–52 [Gushchenko O.I. Determination of tectonic stress fields by the method of kinematic analysis of fracture structures (in connection with the prediction of seismic hazard) // Nature and methodology of determining tectonic stresses in the upper part of the Earth’s crust. Apatites: Kola branch of the USSR Academy of Sciences, 1982. P. 35–52 (in Russian)].
Дамаскинская Е.Е., Пантелеев И.А., Кадомцев А.Г., Наймарк О.Б. Влияние состояния внутренних границ раздела на характер разрушения гранита при квазистатическом сжатии // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. Вып. 5. С. 920–930 [Damaskinskaya E.E., Panteleev I.A., Kadomtsev A.G., Naimark O.B. Influence of the state of internal interface boundaries on the nature of granite destruction under quasi-static compression // Solid State Physics. 2017. V. 59. Iss. 5. P. 920–930 (in Russian)].
Кочарян Г.Г. Масштабный эффект в сейсмотектонике // Геодинамика и тектонофизика. 2014а. № 5. Вып. 2. С. 353–385 [Kocharyan G.G. Scale effect in seismotectonics // Geodynamics & Tectonophysics. 2014. № 5. Iss. 2. P. 353–385 (in Russian)].
Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б., Новиков В.А., Остапчук А.А. Медленные перемещения по разломам: параметры, условия возникновения, перспективы исследований // Геодинамика и тектонофизика. 2014б. № 5. Вып. 4. С. 863–891 [Kocharyan G.G., Kishkina S.B., Novikov V.А., Ostapchuk А.А. Slow slip events: parameters, conditions of occurrence, and future research prospects // Geodynamics & Tectonophysics № 5. Iss. 4. P. 863–891 (in Russian)].
Лементуева Р.А., Бубнова Н.Я., Треусов А.В. Особенности динамики формирования магистральной трещины // Физика Земли. 2014. № 1. С. 33–39 [Lementueva R.A., Bubnova N.Ya., Trusov A.V. Dynamical features of fracture formation // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2014. V. 50. № 1. P. 32–37].
Райс Дж. Механика очага землетрясения. Сер. Механика. Новое в зарубежной науке. М.: Мир, 1982. 217 с. [Rice J. The mechanics of earthquake rupture. 1980. 649 p.].
Ребецкий Ю.Л. Напряженно-деформированное состояние и механические свойства природных массивов по данным о механизмах очагов землетрясений и структурно-кинематическим характеристикам трещин // Дис. док. физ.мат. наук. М.: Изд. ОИФЗ. 2003. 455 с. [Rebetsky Yu.L. The stress-strain state and mechanical properties of natural massifs according to data on the mechanisms of earthquake foci and structural-kinematic characteristics of cracks // Dis. doc. phys.mat. sci. Moscow: OIFZ Publishing House. 2003. 455 p. (in Russian)].
Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и области триггерного механизма возникновения землетрясений // Физическая мезомеханика. 2007. Т. 10. № 1. С. 25–37 [Rebetsky Yu.L. Tectonic stresses and regions of the trigger mechanism of the occurrence of earthquakes // Physical mesomechanics. 2007. V. 10. № 1. P. 25–37 (in Russian)].
Ребецкий Ю.Л., Лементуева Р.А., Дьяур Н.И., Михайлова А.В. Соподчиненность микроструктурных деформаций и хрупкого микроразрушения // ДАН. 2005. Т. 403. № 2. С. 253–257 [Rebetskii Yu.L., Lementueva R.A., D’yaur, Mikhailova A.V. Subordination of misrostructure deformations and brittle macrodestruction // Doklady Earth Sciences. 2005. V. 403. № 5. P. 812–815].
Ружич В.В., Кочарян Г.Г. О строении и формировании очагов землетрясений в разломах на приповерхностном и глубинном уровне земной коры. Статья I. Приповерхностный уровень // Геодинамика и тектонофизика. 2017. Т. 8. Вып. 4. С. 1021−1034. https://doi.org/10.5800/GT-2017-8-4-0330 [Ruzhich V.V., Kocharyan G.G. On the structure and formation of earthquake sources in the faults located in the subsurface and deep levels of the crust. Part I. Subsurface level. Geodynamics & Tectonophysics. 2017. V. 8. Iss. 4. P. 1021–1034 (in Russian)].
Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с. [Sobolev G.A., Ponomarev A.V. Physics of earthquakes and harbingers. Moscow: Nauka, 2003. 270 p. (in Russian)].
Соболев Г.А., Лементуева Р.А., Гвоздев А.А. Динамика механоэлектрических параметров в образцах горных пород при внутреннем источнике упругих напряжений // Моделирование геофизических процессов. М.: Изд-во ОИФЗРАН. 2003. С. 5–9 [Sobolev G.A., Lementueva R.A., Gvozdev A.A. Dynamics of mechanoelectric parameters in rock samples with an internal source of elastic stresses // Modeling of geophysical processes. Moscow: OIFZRAS. 2003. P. 5–9 (in Russian)].
Ставрогин А.Н. Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра. 1992. 223 с. [Stavrogin A.N. Protosenya A.G. Mechanics of deformation and destruction of rocks. Moscow: Nedra. 1992. 223 p. (in Russian)].
Chester F.M., Rowe C., Ujiie K. et al. Expedition 343 and 343T Scientists, 2013. Structure and composition of the plate-boundary slip zone for the 2011 Tohoku-Oki earthquake // Science. 2013. V. 6163. P. 1208–1211. https://doi.org/10.1126/science.1243719
Lin A., Maruyama T., Kobayashi K. Tectonic implications of damage zone related fault-fracture networks re-vealed in drill core through the Nojima Fault, Japan // Tectonophys. 2007. V. 443. № 3–4. P. 161–173. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2007.01.011
Lockner D.A., Tanaka H., Ito H. et al. Geometry of the Nojima Fault at Nojima-Hirabayashi, Japan – I. A simple damage structure inferred from borehole core permeability // Pure and Applied Geophysiks. 2009. V. 166. № 10–11. P. 1649–1667. https://doi.org/10.1007/s00024-009-0515-0
Rebetsky Y.L., Guo Y.S. From natural stresses in seismic zones to predictions of megaearthquake nucleation zones // Pure Appl. Geophys. 2020. V. 177. № 1. P. 421–440. https://doi.org/10.1007/s00024-019-02128-0
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Copyright (c) 2024 Р.А. Лементуева, Ю.Л. Ребецкий, Н.Я. Бубнова, А.В. Треусов