[論文レビュー] Complex dislocation dynamics in ice: experiments

Weiss, Jerome, Jean‐Robert Grasso+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2001

Landslides and related hazards参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、-10 °Cにおける氷単結晶のクリープ変形中に、音響発生（AE）を用いて脱進動的崩壊を検出することで、脱進動的ダイナミクスを調査した。その結果、粘塑性変形がスケール不変な崩壊によって支配されており、振幅およびエネルギーがべき乗則に従うことが判明した。これは、定常状態の二次クリープ段階であっても、非平衡臨界現象が脱進動の運動に見られる可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present a statistical analysis of the acoustic emissions induced by dislocation motion during the creep of ice single crystals. The recorded acoustic waves provide an indirect measure of the inelastic energy dissipated during dislocation motion. Compression and torsion creep experiments indicate that viscoplastic deformation, even in the steady-state (secondary creep), is a complex and inhomogeneous process characterized by avalanches in the motion of dislocations. The distribution of avalanche sizes, identified with the acoustic wave amplitude (or the acoustic wave energy), is found to follow a power law with a cutoff at large amplitudes which depends on the creep stage (primary, secondary, tertiary). These results suggest that viscoplastic deformation in ice and possibly in other materials could be described in the framework of non-equilibrium critical phenomena.

研究の動機と目的

• 純粋な氷単結晶におけるクリープ変形中の脱進動の統計的ダイナミクスを理解すること。
• 微視的レベルでの粘塑性変形が均一か不均一かを調査すること。
• 脱進動崩壊が普遍的なスケーリング則に従うかどうかを特定し、臨界行動を示唆すること。
• 脱進動間の弾性相互作用が、間歇的な塑性変形を駆動する役割を果たすかを検討すること。
• 音響発生を結晶性材料における脱進動ダイナミクスの信頼できるプローブとして確立すること。

提案手法

• 氷単結晶を用いた一軸圧縮およびねじりクリープ実験において、圧電素子を用いて音響発生（AE）を記録した。
• AEの振幅およびエネルギーを、Eshelbyのモデルに基づくスケーリング関係 E ∝ A² から、脱進動崩壊のサイズおよびエネルギーの代理指標として用いた。
• 脱進動崩壊の振幅およびエネルギーの分布を分析し、上側カットオフを伴うべき乗則スケーリングの有無を検証することで、臨界行動の有無を評価した。
• AEイベントの時間的クラスタリングを評価するため、相関積分 C(t) を計算した。その結果、メインショック-フォローアフターショック系列に類似した構造が明らかになった。
• 崩壊統計の進化を評価するため、主に一次クリープ、二次クリープ、三次クリープの各段階で分析を実施した。
• 本研究とは別紙の数値シミュレーションと照合することで、観測されたスケーリング行動の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定常状態のクリープ中に、氷単結晶内の脱進動崩壊はべき乗則に従うサイズ分布を示すか？
• RQ2 崩壊サイズ分布における上側カットオフは、一次、二次、三次クリープの各段階でどのように変化するか？
• RQ3 音響発生イベントに時間的クラスタリングの兆候があるか。これは、脱進動運動におけるメインショック-フォローアフターショックダイナミクスを示唆するか？
• RQ4 音響発生の統計的性質は、脱進動系における非平衡臨界現象と結びつけられるか？
• RQ5 荷重モード（圧縮とねじり）の違いが、崩壊サイズ分布のスケーリング指数に影響を与えるか？

主な発見

• 氷単結晶における粘塑性変形は、二次クリープ段階であっても、間歇的で不均一な脱進動崩壊によって進行しており、複雑な非均一プロセスであることが示された。
• 音響発生振幅（崩壊サイズの代理指標）の分布はべき乗則に従い、指数的カットオフを伴うが、そのカットオフはクリープ段階に依存する。
• 二次クリープでは、崩壊サイズ分布のべき乗則指数は τ = 1.8 ± 0.1 であり、有限サイズ効果ではないことが判明した。
• 一次および三次クリープでは、わずかに大きな指数（τ ≈ 2.15 ± 0.05）が観察され、脱進動ダイナミクスの性質の変化が示唆された。
• ねじりクリープ条件下では、指数 τ = 1.7 のべき乗則が観察され、検出可能な上側カットオフは認められず、圧縮とは異なるスケーリング行動を示した。
• 時間的相関解析により、特徴的な時定数 tc よりも短い時間スケールでAEイベントのクラスタリングが確認され、メインショック-フォローアフターショック系列と整合的であった。tc は平均イベント間隔に比例するスケーリングを示した。