Геофизические исследования: статья

ОТСЛЕЖИВАНИЕ РАЗВИТИЯ РАЗРУШЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ КЛАСТЕРИЗАЦИИ ИМПУЛЬСОВ ТЕРМИЧЕСКИ СТИМУЛИРОВАННОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ОТСУТСТВИИ ЛОКАЦИИ
Г.С. Индаков 1,2 П.А. Казначеев 1 З.-Ю.Я. Майбук 1 Н.Б. Подымова 1,2 Д.В. Краюшкин 1,3
1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
3 Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
Журнал: Геофизические исследования
Том: 26
Номер: 2
Год: 2025
Страницы: 99-124
УДК: 550.8:552.08:620.1
DOI: 10.21455/gr2025.2-7
Ключевые слова: горные породы, акустическая эмиссия, термическое воздействие, волновые формы, трещины, кластеризация, машинное обучение, разрушающие испытания, физика землетрясений.
Аннотация: Исследована группируемость импульсов акустической эмиссии при высокотемпературном нагреве образца песчаника, предварительно подвергнутого механическому нагружению. Механическое нагружение осуществлялось в одноосном режиме до нагрузки, близкой к разрушающей, с проявлением на поверхности признаков крупных трещин. После этого образец нагревался до 650 °C с регистрацией импульсов термоакустической эмиссии (ТАЭ). Проведена кластеризация импульсов на основе их сходства, установленного методом взаимной корреляции волновых форм. Выделено три кластера, каждый из которых содержит порядка десяти импульсов ТАЭ и может соответствовать определённому источнику, предположительно – отдельной крупной трещине. Распределение импульсов из кластеров во времени и по амплитудам в процессе нагрева различно для каждого кластера. Это может говорить как о разных моментах и пороге активации соответствующей трещины, так и о разном темпе роста трещин. Отдельно выполнялся контрольный эксперимент с термическим воздействием на образец песчаника, который предварительно механически не нагружался. Для него не удалось выявить кластеры импульсов ТАЭ. Дополнительно проанализированы параметры импульсов ТАЭ выявленных кластеров. Установлено, что кластеры не формируют компактные изолированные группы в пространстве параметров, а распределены на фоне прочих импульсов. Проверка импульсов по параметрам на базе физически обоснованных критериев показала в двух кластерах из трёх наличие нескольких импульсов, неадекватных физическим особенностям эксперимента. Иерархическая кластеризация всех импульсов ТАЭ в пространстве параметров не позволила выявить группы, сколь-либо похожие на исходные кластеры. Произведено тестирование устойчивости выделения исходных кластеров в пространстве параметров с помощью классификации ансамблем решающих деревьев. Третий кластер был распознан с самыми простыми критериями обучения. Динамика импульсов этого кластера в наибольшей степени похожа на динамику роста трещины, активировавшейся при определённой температуре нагрева.
Список литературы: Адушкин В.В., Китов И.О., Санина И.А. Снижение порога обнаружения сигналов методом кросскорреляции волновых форм за счет использования сейсмической группы трехкомпонентных датчиков // Геофизические исследования. 2016. Т. 17, № 1. C.5–28.

Веселовский Р.В., Дубиня Н.В., Пономарёв А.В., Фокин И.В., Патонин А.В., Пасенко А.М., Фетисова А.М., Матвеев М.А., Афиногенова Н.А., Рудько Д.В., Чистякова А.В. Центр коллективного пользования Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН “Петрофизика, геомеханика и палеомагнетизм” // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13, № 2. 12 c.

Дамаскинская Е.Е., Пантелеев И.А., Гафурова Д.Р., Фролов Д.И. Структура деформируемого гетерогенного материала по данным акустической эмиссии и рентгеновской микротомографии // Физика твердого тела. 2018. Т. 60, Вып. 7. С.1353–1357. DOI: 10.21883/FTT.2018.07.46122.017

Елизаров С.В., Букатин А.В., Ростовцев М.Ю., Терентьев Д.А. Новинки программного обеспечения АЭ систем семейства A-Line // В мире неразрушающего контроля. 2008. № 3. С.18–21.

Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика. М.: Спектр, 2017. 368 с.

Ильинов М.Д., Петров Д.Н., Карманский Д.А., Селихов А.А. Аспекты физического моделирования процессов структурных изменений образцов горных пород при термобарических условиях больших глубин // Горные науки и технологии. 2023. Т. 8, № 4. С.290–302. DOI: 10.

17073/2500-0632-2023-09-150

Индаков Г.С., Казначеев П.А. Оценка статистических параметров потока импульсов термически стимулированной акустической эмиссии в лабораторных экспериментах // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2021. № 1. 2110501.

Казначеев П.А., Майбук З.-Ю.Я., Пономарев А.В. Оборудование и методика исследования термоакустоэмиссионных эффектов памяти в горных породах // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55, № 1. C.29–45. DOI: 10.21455/si2019.1-2

Казначеев П.А., Майбук З.-Ю.Я., Пономарев А.В., Смирнов В.Б., Бондаренко Н.Б. Исследование термоакустической эмиссии как возможный способ реконструкции истории pT-условий при формировании горных пород // Современная тектонофизика. Методы и результаты: Материалы пятой молодежной тектонофизической школы-семинара. Москва, 9–12 октября 2017 г. М.: ИФЗ РАН, 2017. С.240–246.

Комаров А.Г. Программное обеспечение для обработки данных АЭ испытаний // Актуальные проблемы метода акустической эмиссии: Всероссийская конференция с международным участием. Тольятти, 28 мая – 1 июня 2018 г. / Отв. ред. Д.Л. Мерсон, А.Ю. Виноградов. Тольятти: ТГУ, 2018. С.41–43.

Потанина М.Г., Смирнов В.Б., Бернар П. Особенности развития сейсмической роевой активности в коринфском рифте в 2000–2005 гг. // Физика Земли. 2011. № 7. С.54–66.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Бернар П., Патонин А.В. Закономерности переходных режимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования // Физика Земли. 2010. № 2. С.17–49.

Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.

Соболев Г.А., Пономарев А.В. Акустическая эмиссия и стадии подготовки разрушения в лабораторном эксперименте // Вулканология и сейсмология. 1999. № 4-5. С.50–62.

Соболев Г.А., Пономарев А.В., Никитин А.Н., Балагуров А.М., Васин Р.Н. Исследование динамики полиморфного α–β-перехода в кварците методами нейтронной дифрактометрии и акустической эмиссии // Физика Земли. 2004. № 10. С.5–15.

Шкуратник В.Л., Вознесенский А.С., Винников В.А. Термостимулированная акустическая эмиссия в геоматериалах. М.: Издательство “Горная книга”, 2015. 241 с.

Bousquet O., Elisseeff A. Stability and Generalization // Journal of Machine Learning Research. 2002. V. 2. P.499–562.

Cui Y., Xue L., Zhai M., Xu C., Bu F., Wan L. Experimental investigation on the influence on mechanical properties and acoustic emission characteristics of granite after heating and water-cooling cycles // Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2023. V. 9. 18 p. DOI: 10.1007/s40948-023-00627-y

Das A.K., Suthar D., Leung C.K.Y. Machine learning based crack mode classification from unlabeled acoustic emission waveform features // Cement and Concrete Research. 2019. V. 121. P.42–57. DOI: 10.1016/j.cemconres.2019.03.001

Freund Y., Schapire R.E. A Decision-Theoretic Generalization of On-Line Learning and an Application to Boosting // Journal of Computer and System Sciences. 1997. V. 55. P.119–139. DOI: 1006/jcss.1997.1504

Gibbons S.J., Ringdal F. The detection of low magnitude seismic events using array-based waveform correlation // Geophysical Journal International. 2006. V. 165, N 1. P.149–166. DOI: 10.1111/j.1365-246X.2006.02865.x

González S., García S., Ser J.D., Rokach L., Herrera F. A practical tutorial on bagging and boosting based ensembles for machine learning: Algorithms, software tools, performance study, practical perspectives and opportunities // Information Fusion. 2020. V. 64. P.205–237. DOI: 10.1016/

j.inffus.2020.07.007

Heuze F.E. High-temperature mechanical, physical and thermal properties of granitic rocks – A review // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts. 1983. V. 20, N 1. P.3–10. DOI: 10.1016/0148-9062(83)91609-1

Jia P., Qian Y., Wang Q., Mao S., Lu J. Mechanical and electrical responses of natural-cooled high-temperature granite of different grain sizes // Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2023. V. 9. 14 p. DOI: 10.1007/s40948-023-00702-4

Kang F., Li Y., Tang C. Grain size heterogeneity controls strengthening to weakening of granite over high-temperature treatment // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021. V. 145. 104848. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2021.104848

Liu X., Liu Z., Li X., Cui J. Acoustic Emission RA-Value and Granite Fracture Modes Under Dynamic and Static Loads // Advances in Acoustic Emission Technology. Springer Proceedings in Physics. V. 218. Cham: Springer, 2019. P.141–153. DOI: 10.1007/978-3-030-12111-2_13

Luxburg U. Clustering Stability. An Overview // Foundations and Trends in Machine Learning. 2010. V. 2, N 3. P.235–274.

Meredith P.G., Atkinson B.K. Fracture toughness and subcritical crack growth during high-temperature tensile deformation of Westerly granite and Black gabbro // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1985. V. 39, N 1. P.33–51. DOI: 10.1016/0031-9201(85)90113-X

Müllner D. Modern hierarchical, agglomerative clustering algorithms. arXiv, 2011. URL: https://arxiv.org/abs/1109.2378 (Дата обращения 30.12.2024)

Ospitia N., Korda E., Kalteremidou K.-A., Lefever G., Tsangouri E., Aggelis D.G. Recent developments in acoustic emission for better performance of structural materials // Developments in the Built Environment. 2023. V. 13. 9 p. DOI: 10.1016/j.dibe.2022.100106

Ostapchuk A.A., Morozova K.G. On the Mechanism of Laboratory Earthquake Nucleation Highlighted by Acoustic Emission // Scientific Reports. 2020. V. 10. 8 p. DOI: 10.1038/s41598-020-64272-1

Ostapchuk A., Morozova K., Markov V., Pavlov D., Popov M. Acoustic Emission Reveals Multiple Slip Modes on a Frictional Fault // Frontiers in Earth Science. 2021. V. 9. 16 p. DOI: 10.3389/feart.2021.657487

Paul S., Chattopadhyaya S., Raina A.K., Sharma S., Li C., Zhang Y., Kumar A., Tag-Eldin E. A Review on the Impact of High-Temperature Treatment on the Physico-Mechanical, Dynamic, and Thermal Properties of Granite // Sustainability. 2022. V. 14, N 22. 24 p. DOI: 10.3390/su142214839

Sause M., Hamstad M. Acoustic Emission Analysis // Comprehensive Composite Materials II / Eds. P.W.R. Beaumont, C.H. Zweben. Amsterdam: Elsevier, 2018. P.291–326. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.10036-0

Septyana T., Nugraha A.D., Widiyantoro S., Supriyono. Multi-channel waveform clustering: a first look at microseismic multiplets from coalbed methane stimulation // Geoscience Letters. 2019. V. 6. 11 p. DOI: 10.1186/s40562-019-0137-z

Sha S., Rong G., Tan J., He R., Li B. Tensile strength and brittleness of sandstone and granite after high-temperature treatment: a review // Arabian Journal of Geosciences. 2020. V. 13. 13 p. DOI: 10.1007/s12517-020-05647-6

Shao S., Wasantha P.L.P., Ranjith P.G., Chen B.K. Effect of cooling rate on the mechanical behavior of heated Strathbogie granite with different grain sizes // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2014. V. 70. P.381–387. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2014.04.003

Wang H.F., Bonner B.P., Carlson S.R., Kowallis B.J., Heard H.C. Thermal stress cracking in granite // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 1989. V. 94. P.1745–1758.

Wang Y., Peng J., Wang L., Xu L., Dai B. Micro-macro evolution of mechanical behaviors of thermally damaged rock: A state-of-the-art review // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2024. V. 16, N 7. P.2833–2853. DOI: 10.1016/j.jrmge.2023.11.012

Wyner A.J., Olson M., Bleich J., Mease D. Explaining the Success of AdaBoost and Random Forests as Interpolating Classifiers // Journal of Machine Learning Research. 2017. V. 18. P.1–33.

Yang S.Q. Mechanical Behavior and Damage Fracture Mechanism of Deep Rocks. Singapore: Springer, 2022. 514 p. https://doi.org/10.1007/978-981-16-7739-7

Yudin A.A., Ivanov V.I. Acoustic emission in plastic deformation of metals (review). Report 2 // Strength of Materials. 1985. V. 17. P.851–862. DOI: 10.1007/BF01528740

Zhou Z., Wang H., Cai X., Chen L., E Y., Cheng R. Damage Evolution and Failure Behavior of Post-Mainshock Damaged Rocks under Aftershock Effects // Energies. 2019. V. 12, N 23. 17 p.