Studying Collective Phenomena in Fractured Rocks

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Étudier les phénomènes collectifs dans les roches fracturées

Image Credit: Rock Mechanics Bulletin.

Pendant de nombreuses décennies, la communauté de la mécanique des roches a tacitement supposé qu’une masse rocheuse pouvait être assimilée à la somme de fractures et de roches intactes.

En conséquence, on pense que le comportement d’une masse rocheuse peut être compris en la décomposant en morceaux plus petits et en caractérisant complètement ces morceaux. Cependant, du point de vue de la physique statistique, cette équation communément admise, à savoir masse rocheuse = fractures + roches intactes, est incorrecte, ou du moins incomplète.

"La masse rocheuse est un système complexe formé de nombreuses fractures et roches qui interagissent les unes avec les autres à des échelles spatio-temporelles", explique Qinghua Lei, seul auteur d'une nouvelle étude publiée dans Rocks Mechanics Bulletin. « Dans un système aussi complexe, des propriétés entièrement nouvelles pourraient émerger à un niveau supérieur, résultant du comportement collectif des composants constitutifs au niveau inférieur, de telle sorte que le système présente des propriétés que ses parties n'ont pas par elles-mêmes, pour lesquelles le réductionnisme s'effondre. . Donc plus, c’est différent ! »

Le Dr Lei, professeur associé à l'Université d'Uppsala et ancien chercheur et maître de conférences à l'ETH Zurich, explique en outre : « Par conséquent, le comportement à grande échelle d'une masse rocheuse ne peut pas être prédit par de simples applications de la connaissance des noyaux à petite échelle. échantillons, en raison de la hiérarchie des échelles, des hétérogénéités et des mécanismes physiques ainsi que de l’émergence possible de phénomènes macroscopiques qualitativement différents.

S'appuyant sur une perspective combinée de physique statistique et de mécanique des roches, le Dr Lei a présenté une discussion approfondie sur les mécanismes d'émergence dans les roches fracturées. De plus, il a proposé un cadre conceptuel multi-échelle pour relier les réponses microscopiques de fractures/roches individuelles au comportement macroscopique des masses rocheuses, constituées d'un grand nombre de fractures et de roches.

« Ce cadre multi-échelle peut servir d’outil utile pour relier les relations constitutives établies expérimentalement entre des échantillons de fractures/roches à l’échelle du laboratoire et les propriétés macroscopiques observées phénoménologiquement des masses rocheuses fracturées à l’échelle du site », conclut le Dr Lei.
NJC.© Info Chinese Academy of Sciences

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05/01/24-English

Studying Collective Phenomena in Fractured Rocks

Image Credit: Rock Mechanics Bulletin.

For many decades, the rock mechanics community has tacitly assumed that a rock mass can be equated to the sum of fractures and intact rocks.

Accordingly, it is believed that the behaviour of a rock mass can be understood by decomposing it into smaller pieces and characterising these pieces completely. However, from the statistical physics point of view, this commonly assumed equation, i.e. rock mass = fractures + intact rocks, is incorrect, or at least incomplete.

“Rock mass is a complex system formed by numerous fractures and rocks that interact with each other across spatiotemporal scales,” explains Qinghua Lei, the sole author of a new study published in Rocks Mechanics Bulletin. “In such a complex system, entirely new properties could emerge at a higher level arising from the collective behaviour of constituent components at the lower level, such that the system exhibits properties that its parts do not have on their own, for which reductionism breaks down. So, more is different!”

Dr. Lei, an Associate Professor at Uppsala University and a former Senior Researcher & Lecturer at ETH Zurich, further explains: “Consequently, the large-scale behaviour of a rock mass cannot be predicted by simple applications of the knowledge of small-scale core samples, due to the hierarchy of scales, heterogeneities, and physical mechanisms as well as the possible emergence of qualitatively different macroscopic phenomena.”

Based on a combined statistical physics and rock mechanics perspective, Dr. Lei presented a thorough discussion on the mechanisms of emergence in fractured rocks. Additionally, he proposed a multiscale conceptual framework to link microscopic responses of individual fractures/rocks to the macroscopic behaviour of rock masses, which consist of a large number of fractures and rocks.

“This multiscale framework can serve as a useful tool to bridge experimentally established constitutive relationships of fracture/rock samples at the laboratory scale to phenomenologically observed macroscopic properties of fractured rock masses at the site scale,” Dr. Lei concludes.
NJC.© Info Chinese Academy of Sciences

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05/01/24-NL

Het bestuderen van collectieve verschijnselen in gebroken gesteenten

Image Credit: Rock Mechanics Bulletin.

Decennia lang heeft de gemeenschap van gesteentemechanica stilzwijgend aangenomen dat een gesteentemassa gelijkgesteld kan worden aan de som van breuken en intacte gesteenten.

Dienovereenkomstig wordt aangenomen dat het gedrag van een rotsmassa kan worden begrepen door deze in kleinere stukken te ontbinden en deze stukken volledig te karakteriseren. Vanuit het oogpunt van de statistische natuurkunde is deze algemeen aangenomen vergelijking, d.w.z. gesteentemassa = breuken + intacte gesteenten, echter onjuist, of op zijn minst onvolledig.

“Gesteentemassa is een complex systeem dat wordt gevormd door talrijke breuken en gesteenten die met elkaar in wisselwerking staan op tijdsruimtelijke schaalniveaus”, legt Qinghua Lei uit, de enige auteur van een nieuwe studie gepubliceerd in Rocks Mechanics Bulletin. “In zo’n complex systeem zouden op een hoger niveau geheel nieuwe eigenschappen kunnen ontstaan die voortkomen uit het collectieve gedrag van de samenstellende componenten op het lagere niveau, zodat het systeem eigenschappen vertoont die de onderdelen zelf niet hebben, waarvoor het reductionisme kapot gaat. . Meer is dus anders!”

Dr. Lei, universitair hoofddocent aan de universiteit van Uppsala en voormalig senior onderzoeker en docent aan de ETH Zürich, legt verder uit: “Daarom kan het grootschalige gedrag van een rotsmassa niet worden voorspeld door eenvoudige toepassingen van de kennis van kleinschalige kernkernen. monsters, vanwege de hiërarchie van schalen, heterogeniteiten en fysieke mechanismen, evenals de mogelijke opkomst van kwalitatief verschillende macroscopische verschijnselen.”

Gebaseerd op een gecombineerd perspectief van statistische natuurkunde en gesteentemechanica, presenteerde Dr. Lei een grondige discussie over de mechanismen van het ontstaan van gebroken gesteenten. Daarnaast stelde hij een conceptueel raamwerk op meerdere schaal voor om microscopische reacties van individuele breuken/gesteenten te koppelen aan het macroscopische gedrag van rotsmassa's, die uit een groot aantal breuken en gesteenten bestaan.

"Dit multischaal raamwerk kan dienen als een nuttig hulpmiddel om experimenteel vastgestelde constitutieve relaties van breuk-/gesteentemonsters op laboratoriumschaal te overbruggen met fenomenologisch waargenomen macroscopische eigenschappen van gebroken gesteentemassa's op locatieschaal", besluit Dr. Lei.
NJC.© Info Chinese Academy of Sciences

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