Многошкальные характеристики и поведение при растрескивании песчаника в условиях циклов сушки и увлажнения: данные ЯМР, АЭ и СЭМ

Почему изменения уровня воды могут расколоть твёрдую породу

Во многих крупных плотинах и водохранилищах уровень воды у прилегающих склонов постоянно поднимается и опускается день за днём. Это постоянное пропитывание и высыхание может показаться безобидным, но в течение лет оно постепенно ослабляет породу, удерживающую берега. В районе водохранилища Три ущелья в Китае этот тихий процесс может способствовать оползням и обвалам. Описанное здесь исследование заглядывает внутрь песчаника водохранилища от масштаба зерна до целых образцов, чтобы объяснить, как повторяющиеся циклы сушки и увлажнения превращают прочную породу в расколотый, хрупкий материал.

Склоны, которые незаметно становятся опасными

Учёные сосредоточились на песчанике из гидровариационной зоны — полосы, которая попеременно оказывается затопленной и оголённой при изменении уровня водохранилища. Эти породы состоят из минералов, таких как кварц, полевые шпаты и глина, скреплённых природным цементом. Когда вода многократно заливает и уходит из этой зоны, она не только промывает видимые трещины, но и проникает в микропоры и контакты между зернами. Со временем такое чередование размывает внутреннюю структуру породы, снижая её способность сохранять целостность под действием силы тяжести и других нагрузок на склон.

Слушая породу в момент разрушения

Чтобы наблюдать за развитием повреждений в реальном времени, команда использовала акустическую эмиссию — метод, который фиксирует высокочастотные «пики», возникающие при образовании и росте новых трещин в нагружаемом образце. По мере сжатия кернов песчаника количество и энергия этих звуковых всплесков резко возрастали прямо перед окончательным разрушением. Отслеживая изменения в статистическом распределении сигналов, авторы обнаружили, что чёткие ранние предупреждающие признаки стабильно появлялись, когда приложенное напряжение достигало примерно 92–99% от пиковой прочности породы, с финальной критической точкой чуть выше 99%. Этот паттерн, известный как критическое замедление, указывает на то, что внимательный мониторинг подобных сигналов в полевых условиях может дать заблаговременное предупреждение о приближении нестабильности склонов водохранилища.

От микропор к крупным трещинам

Учёные также изучали, как изменялось внутреннее поровое пространство при циклическом увлажнении и высыхании образцов до 30 раз. С помощью ядерного магнитного резонанса, который фиксирует воду в порах, они показали, что общая пористость возрастала экспоненциально с увеличением числа циклов. Распределение размеров пор смещалось от преимущественно очень мелких к смеси, доминируемой средними и крупными порами, а профиль сигнала менялся от одного пика к двум, что свидетельствует о растущей структурной неоднородности. Расчёты на основе фрактальной теории показали, что крупные поры становились более взаимосвязанными, формируя пути, облегчающие движение воды и объединение трещин.

Крупный план разрушения зерен

Изображения, полученные сканирующим электронным микроскопом, добавили визуальных деталей к этой картине. В свежем песчанике зерна плотно прилегали друг к другу с лишь несколькими изолированными микротрещинами. После нескольких циклов сушки и увлажнения команда заметила небольшие ямки, где растворялись минералы, и короткие трещинки вдоль краёв зерен. С увеличением числа циклов эти ямки углублялись, зерна теряли материал, а трещины распространялись и объединялись. К моменту прохождения 30 циклов границы зерен стали размытыми, цемент между частицами сильно ослаблен, и широкие разломы пересекали породу. Одновременно акустические данные показали, что стиль растрескивания изменился: доля трещин, открывающихся в натяжении, выросла примерно с одной трети до почти половины, хотя сдвиговые типы разрушения по-прежнему доминировали в целом.

Что это значит для безопасности водохранилища

В совокупности измерения показывают, как повторяющееся пропитывание и высыхание реорганизуют песчаник изнутри. Химические реакции с водой увеличивают поры и разрушают минеральный «клей», тогда как физическое набухание, сжатие и напряжения способствуют объединению мелких дефектов в крупные трещины. По мере того как внутренняя сеть пустот становится более связной, прочность породы падает и изменяется характер растрескивания, причём всё же остаются слышимыми чёткие акустические сигналы перед окончательным разрушением. Эти выводы помогают объяснить, почему склоновые породы в зонах колебания уровня водохранилищ со временем деградируют, и предлагают инструменты для выявления участков, близких к точке обрушения.

Цитирование: He, P., Lei, R., Zhao, P. et al. Multiscale characteristics and cracking behavior in reservoir sandstone under dry-wet cycles: Insights from NMR, AE and SEM. Sci Rep 16, 15279 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46226-1

Ключевые слова: песчаник, циклы сушки и увлажнения, склоны водохранилища, структура пор, акустическая эмиссия