Файл: Подводные и подземные взрывы сб. ст.pdf

и внутренняя энергия в нем уменьшаются непрерывно, в то время как энтропия среды после сжатия остается постоянной.

Если достаточное количество энергии ввести в этот элемент среды, то он полностью испарится и будет рас­ ширяться подобно газу. Буткович [4] сообщил о расче-

Пиковое

давление У~50кбар

тах, которые показывают, что приблизительно 70 т си­ ликатной горной породы на 1 кт выделяемой энергии полностью испаряются ударной волной. За пределами этой области полного испарения находится область, где в среду вводится столько энергии, что ее достаточно, чтобы расплавить горную породу и испарить воду, со­ держащуюся в ней. В третьей области среда лишь на­ гревается, но настолько, чтобы испарить водный компо­ нент (рис. 1).

Для расчета перемещения среды от подземного ядер­ ного взрыва необходимо иметь полное описание связи энергии с объемом и давлением во всем интервале

давлений и плотностей для изучаемых сред. Теоретиче­ ские газовые уравнения состояния для силикатных гор­ ных пород в области полного испарения были разрабо­ таны Бутковичем [4]. Они связывают давление, плотность и внутреннюю энергию в силикатных горных породах с различным весовым содержанием воды:

S1O2 -Ь 1/6 Н2О; Si02 + 100/0 Н2О; Si02 + 20% Н2О.

Эти уравнения состояния используются в настоящее время в одномерной [5] и в двумерной [10] гидродина­ мических упруго-пластических программах счета в Лауренсовской радиационной лаборатории под названием SOC и TENSOR соответственно. Для областей, лежащих за пределами зоны полного испарения, используются экспериментально определенные уравнения Гюгонио и измеренные кривые гидростатической разгрузки, исполь­ зуемые для определения хода разгрузки. Ударные адиа­ баты. Гюгонио были измерены для многих материалов при помощи стандартной техники [15]. Стифенс и др. [12] измерили кривые изотермической разгрузки от дав­ лений порядка 40 кбар. Их результаты позволяют су­ дить об эффекте уплотнения ненасыщенной водой пори­ стой горной породы.

Бьорк построил уравнение состояния для воды на основе экспериментальных результатов и теоретических представлений в области разгрузки после ударного сжа­ тия (рис. 2). В области от 10000 Мбар до 50 кбар были рассчитаны 29 адиабат. В соответствии с этим уравне­ нием состояния вода, подвергнутая ударному сжатию до давлений свыше 700 кбар, при разгрузке полностью испаряется. Там, где максимальное давление сжатия было ниже 50 кбар, вода останется жидкой при раз­ грузке. В области давлений ударного сжатия от 50 до 700 кбар при разгрузке будет происходить частичное испарение, причем будет оставаться паро-жидкостная смесь.

В области вблизи ядерного взрыва, где давление ударного сжатия не приводит к полному испарению гор­ ной породы, но превышает 50 кбар, происходит полное или частичное испарение водного компонента. В табл. 1 показаны границы этой области для трех сред. Здесь

264 Т. Р. БУТКОВИЧ

Rv — рассчитанный радиус полного испарения горной породы [4]. Между Rv и Rw заключена область, в кото­ рой водный компонент полностью или частично перехо­ дит в пар. В данном случае Rw характеризует радиус, где давление ударного сжатия составляет 100 кбар, так как при ударном сжатии ниже этого давления вода нач­ нет переходить в пар при разгрузке до давлений менее

12бар.

Адиабаты разгрузки горной породы, содержащей

воду, рассчитываются по адиабатам разгрузки каждого из двух компонентов при условии отсутствия какой-либо химической реакции, такой, как растворение одного компонента в другом. Кеннеди и др. [9] измерили рас­ творимость SiC>2 в НгО при высоких давлениях и темпе­ ратурах. Они нашли, что растворимость есть функция давления и времени, но для заметного растворения требуются минуты. В случае ядерного взрыва рост по­ лости и развитие всего явления завершается за время, меньшее 1 с.

ВОДО-ПОДПОРНАЯ МОДЕЛЬ

В развиваемой здесь модели, которую назовем водо­ подпорной, среда представляется состоящей из двух компонентов — воды и горной’ породы, включающей пустоты. Если среда сжимается в ударной волне давле­ нием, достаточным, чтобы вызвать испарение воды при

Таблица 2

Адиабата Гюгонио двух горных пород с расчетными значениями удельного объема компонентов

и объемной доли твердого компонента

266 Т. Р. БУТКОВИЧ

разгрузке (т. е. выше 50 кбар), все пустоты необратимо исчезают. Было сделано предположение, что давление Pw в водном компоненте быстро выравнивается с давле­ нием PR в горном компоненте, т. е. Pw = Pr■Зная сжи­ маемость воды из адиабаты Погонно и измеряя адиа­ бату Гюгонио для двухкомпонентной системы «горная порода, включая пустоты, — вода», объемное содержа­ ние воды Wvoi можно определить на основании весового содержания воды №wt по формуле

считанные для двух типов горных пород, в которых про­ изводились подземные ядерные взрывы. Гранит при взрыве «Хардхэт» имеет низкую трещинную пористость. Измерения содержания воды показывают, что ее весо­ вая доля составляет часть процента; мы приняли ее рап­ ной 0,5%- Водонасыщенный туф при взрыве «Скунер» имеет высокую пористость с содержанием воды, равным 27,6% по весу [12]. На рис. 3 представлены данные из табл. 2 для туфа «Скунер».

После прохождения ударной волны твердый и вод­ ный компоненты будут иметь разные температуры. Предполагаем, что теплопередача между компонентами за интересующее нас время будет незначительной. Ча­ пин изучал этот эффект и показал, что тепловое равно­ весие между водой и твердым компонентом достигается за время порядка минуты.

Адиабаты разгрузки для твердого компонента были