Wiarygodność ocen parametrów sprężystości ośrodków skalnych na dużych głębokościach

• Autorzy: Pinińska J.

Warianty tytułu

EN

The reliability of evaluation of elastic properties of rocks at great depths

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca stanowi wprowadzenie do cyklu artykułów prezentowanych w niniejszym Biuletynie PIG przez zespół pracowników Zakładu Geomechaniki Uniwersytetu Warszawskiego, dotyczących oceny parametrów sprężystych ośrodków skalnych na dużych głębokościach na podstawie badań wytrzymałościowych (geomechanicznych) oraz geofizycznych (pomiar prędkości fali akustycznej). Prace te dotyczą: metodyki badań modelujących warunki ciśnienia i temperatury do głębokości 3,5 km w komorach termociśnieniowych (P. Łukaszewski, A. Dziedzic), analizy wyników laboratoryjnych badań wytrzymałościowych nad zróżnicowaniem głównych parametrów sprężystości typowych skał magmowych i osadowych zależnie od ich genezy i głębokości (A. Domonik) oraz zmienności prędkości propagacji fali ultradźwiękowej w zależności od ciśnienia i temperatury na modelowanej głębokości (A. Dziedzic, J. Pinińska). W niniejszym artykule przedyskutowano współczesne poglądy na niejednorodność rzeczywistego rozkładu naprężeń w górotworze i ograniczone możliwości jego wyznaczenia oraz wynikające z tego konsekwencje w niepewności oznaczania cech sprężystych ośrodków skalnych na podstawie pomiarów geofizycznych w warunkach zróżnicowanego naprężenia, nawodnienia, temperatury i dużych głębokości. Omówiono czynniki powodujące trudności korelowania cech sprężystych uzyskanych na drodze badań geomechanicznych oraz geofizycznych. Korelacje takie niezbędne są szczególnie do identyfikacji cech górotworu na dużych głębokościach, gdzie dostępne są jedynie pomiary prędkości fali sprężystej, ale również powszechnie stosowane w warunkach rozpoznania powierzchniowego. Niejednorodność ośrodków skalnych w odrębny sposób ujawnia się w funkcji zmian przebiegu fali sprężystej i parametrów sprężystości mechanicznej wraz głębokością. Stąd zbyt duże uogólnienia, zapożyczone z ogólnych zasad teorii sprężystości, zacierają rzeczywisty obraz zmian właściwości ośrodka skalnego w warunkach wysokich ciśnień i temperatury. Niepewność wzajemnej korelacji cech sprężystych uzyskanych na drodze badań geomechanicznych oraz geofizycznych bez indywidualnej analizy pogłębia niejednoznaczność metod interpretacji tych pierwszych. Różnice ocen modułu sprężystości, zależnie od przyjętego zakresu sprężystości, mogą dla tej samej skały dochodzić do 100%. Zatem istotą wiarygodnego tworzenia korelacji łączących parametry sprężystości uzyskane na drodze badań geofizycznych z danymi geomechanicznymi są kompleksowe, laboratoryjne badania wytrzymałościowe w komorach termociśnieniowych z równoczesną rejestracją charakterystyk odkształcenia oraz zmian prędkości fali sprężystej na znanym materiale skalnym, w warunkach wzrastającego ciśnienia symulującego warunki termiczne i ciśnieniowe w danych warunkach geologicznych. W pracy szczególną uwagę poświęcono analizie stanu wiedzy nad wiarygodnością ocen rzeczywistego stanu naprężeń w górotworze, gdyż ich ustalenie w skali regionalnej jest możliwe z dokładnością zaledwie do 20%, a w 70% globalnych przypadków naprężenia poziome są większe od pionowych. Na lokalną dystrybucję naprężeń wpływa natomiast przyrodnicza niejednorodność ośrodka skalnego. Wszystkie te czynniki powinny być uwzględnione przy doborze warunków badań i interpretowanych na ich podstawie parametrów sprężystości.

EN

The paper is an introduction to the other papers published in this volume, devoted to the methods and results of laboratory testing of rocks from great depths prepared by the authors from Department of Geomechanics: P. Łukaszewski and A. Dziedzic, A. Domonik as well as A. Dziedzic and J. Pinińska. In the paper the reliability of determination of rock elastic properties at great depths, due to geological factors, technological measuring inconsistencies, and erroneous methods of data interpretation are discussed. Possible diminishing of determination uncertainty would be dependable on accuracy of recognition of three essential factors: the local stress-field, local elastic properties of rock media, and the correctness of correlation of the mechanical and geophysical data. The actual accuracy for determination of stress distribution in a rock massif is considered to be within a range of 10 to 20 percent and the local deviations of horizontal strain may reach 15 to 25 percent at the distance of several meters. The axial deformation modulus under laboratory test conditions may be underestimated by several dozens of percents or overestimated up to 100 percent, what depends on certain standard rules applied to determination of a linear deformation interval according to Domonik & Dziedzic (2009). As it appears in geophysical field researches, the rocks at depth have the elastic deformation range higher than that defined in laboratory mechanical tests. It is the main reason for difficulties in correlating geophysical and the geomechanical data.

Słowa kluczowe

PL

górotwór; naprężenia poziome; naprężenia pionowe; stałe sprężystości; statyczny i dynamiczny moduł sprężystości; prędkość fali sprężystej

EN

rock massive; horizontal stress; vertical stress; constans of elasticity; static and dynamic modulus of elasticity; elastic wave velocity

• Wydawca: Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego
• Rocznik: 2011
• Tom: nr 446 (1)
• Strony: 149--156
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Pinińska J.

• Uniwersytet Warszawski, Wydział Geologii, Instytut Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej, ul. Żwirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa

Bibliografia

• [1] AITMATOV I.T., 1986 — On virgin state of rock mass in mobile folded areas. Int. Symp. of Rock Stress and Rock Stress Measurement. Stockholm, Centek, Lulea.
• [2] AMADEI B., STEPHANSON O., 1997 — Rock stress and its measurement. London, New York.
• [3] ASTM Designation: D 3148-02, Standard Test Method for Elastic Moduli of Intact Rock Core Specimens in Uniaxial Compression.
• [4] BARTON N., 2007 — Rock quality, seismic velocity, attenuation and anisotropy. Balkema. London, New York, Philadelphia, Singapore.
• [5] BROWN E.T., HOECK E., 1978 — Trends and relationship between measured rock in situ and depth. Int. J. Mech. Min. Sci. & Geomech., Abstr., 15: 211–215.
• [6] DOMONIK A., DZIEDZIC A., 2009 — Problemy interpretacyjne przy wyznaczaniu modułu sprężystości w niektórych odmianach litologicznych skał. W: Problemy geotechniczne i środowiskowe z uwzględnieniem podłoży ekspansywnych: 415–423. Wyd. UPT, Bydgoszcz.
• [7] FAIRHURST C., 1986 — In situ stress determination – an appraisal of its significance in rock mechanics. Proc. Int. Symp. of Rock Stress and Rock Stress Measurement: 3–17. Stockholm, Centek, Lulea.
• [8] ISRM, 2007. Suggested Methods for Determining the Uniaxial Compressive Strength and Deformability of Rock Materials. W: The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization Testing and Monitoring: 1974–2006. (red. R. Ulusay, J.A. Hudson): 137–140.
• [9] KARATO S., 2008 — Deformation of earth materials. Cambridge University Press. Cambridge, N.Y, Madrid, Cape Town, Singapore, Sao Paulo, Delhi.
• [10] KWAŚNIEWSKI M., TAKAHASHI M., LI X., 2003 — Volume changes in the sandstone under true triaxial compression conditions. Proc. 10 ISRM Congress. S.A. Inst. of Mining & Metallurgy: 683–688. Johanesburg.
• [11] LANG P.A., EVERITT R.A., NG L.K.W., THOMSON PM., 1986 — Horizontal in situ stresses versus depth in the Canadian Shield at the underground research laboratory. Proc. Int. Symp. of Rock Stress and Rock Stress Measurement: 449–456. Stockholm, Centek, Lulea.
• [12] LEIJON B., 1983 — Rock stress measurements with the LUH-Gauge at the near-surface test facility. Univ. of Technology, Lulea.
• [13] LEIJON B.A, STILBORG B.L., 1986 — A comparative study between two rock stress measurement techniques at Luossvaara mine. Rock Mech. Rock Eng., 19: 143–163.
• [14] MARTIN C.D., SIMMONS G., 1993 — The atomic energy of Canada underground laboratory: an overview of geomechnics characterization. W: Comprehensive rock engineering (red. J.A. Hudson): 915–950. Pergamon Press, Oxford.
• [15] NUR A., SIMMONS G., 1969 — Stress-induced velocity anisotropy in rock: an experimental study. J. Geophys. Res., 74: 6667–6674.
• [16] PINIŃSKA J. (red.), 2011 — Właściwości wytrzymałościowe i odkształceniowe skał Polski na dużych głębokościach w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Arch. Wydz. Geologii UW, Warszawa.
• [17] PN-EN 1997-2: 2009 – Eurokod 7 – Projektowanie geochemiczne, cz. 2 – Rozpoznanie i badania podłoża gruntowego.
• [18] RASOLOFOSAON P.N.J., RABBEL W., SIEGESMUND S., VOLLBRECHT A., 2000 — Characterisation of crack distribution: fabric analysis versus anisotropy inversion. Geophys. J. Int., 141: 425–453.
• [19] RUMMEL F., 1986 — Stress and tectonics of upper continental crust – a review. Proc. Int. Symp. of Rock Stress and Rock Stress Measurement: 177–186. Stockholm, Centek, Lulea.
• [20] SUGOWARA K., OBARA Y., 1993 — Measuring rock stress. W: Comprehensive rock engineering (red. J.A. Hudson): 533–552. Pergamon Press, Oxford.
• [21] TORIUMI M., KARATO S., 1985 — Preferred orientation development of dynamically recrystallized olivine during high temperature creep. J. Geology, 93: 407–417.
• [22] TEISSEYRE R., 2009 — Tutorial on new developments in physics of rotation motions. Bull. Seismol. Soc. Am., 99, 2B: 1028–1039.
• [23] TEISSEYRE R., HCELIDZE T., TEISSEIRE K.P., 2010 — Phase shifted fields: Some experimental evidence. (red. V. de Rubeis, Z. Czechowski, R. Teisseyre): 213–221. Springer.
• [24] WEPFER W.A., CHISTENSEN N.S., 1991 — A seismic velocity – confining pressure relation with application. Int. J. Rock Mech. Sci., Geomech., 28, 5, Abstr.: 451–456.
• [25] ZAKŁAD GEOMECHANIKI, 2009 – Baza danych geomechanicznych. Praca zbiorowa. IHiGI, Wydz. Geologii UW, Warszawa.
• [26] ZOBACK M.D., MASTIN L., BARTON C., 1986 — In situ stress measurements in deep boreholes using hydraulic fracturing, wellbore breakouts, and wave polarization. Proc. Int. Symp. of Rock Stress and Rock Stress Measurement: 289–299. Stockholm, Centek, Lulea.

Uwagi

PL

Artykuł w części: Geomechaniczne właściwości skał

EN

Article in the part: Geomechanical properties of rocks