Введение к работе
//
Диссертационная работа «Напряженно-деформированное состояние и механические свойства природных массивов по данным о механизмах очагов землетрясений и структурно-кинематическим характеристикам трещин» посвящена разработке методологии расчета и анализа тектонических напряжений и отвечающих им квазипластических деформаций массивов горных пород размером первые сотни метров — первые десятки километров по натурным данным о разрывных (трещинных) деформациях. Эта методология включает в себя определение всех компонентов тензоров напряжений и приращений квазигшастических (трещинных) деформаций, а также определение эффективных параметров прочности хрупких массивов горных пород, и в рамках наук о Земле может рассматриваться как новое направление экспериментального изучения состояния и свойств массивов горных пород в их естественном залегании. Основой этого нового фундаментального направления являются методы реконструкции тектонических напряжений и сейсмотектонических деформаций, создававшиеся работами Е.Андерсона, МВГзовского, Ю.В.Ризниченко, Е.Кэри, Ж-Анжелье, ОЛГущенко, СЛЮнги и др., методы оценки прочности участков земной коры, развивавшиеся в работах Р.Сибсона, Дж.Ренелли, ДМерфи и др., а также результаты лабораторных испытаний образцов горных пород, представленные в работах КМоги, Дж.Байерли, Дж. Хэндина, Р.Стески, Ф.Руммеля, А.Н.Ставрогина и др.
Актуальность проблемы. Не вызывает сомнения тот факт, что большинство тектонических процессов, происходивших в прошлые геологические эпохи и протекающих в настоящее время, обусловлены существованием в земной коре и верхней мантии тектонических напряжений. С другой стороны, напряжения сами являются результатом глубинных физико-химических и тектонических процессов, связанных с фазовыми переходами, миграцией флюидов, дифференциацией вещества в гравитационном поле Земли и др. процессов. Их распределение в земной коре чрезвычайно неравномерно и подвержено как медленным, так и пульсационным изменениям.
Создание методологии исследования натурных напряжений, определяющих характер деформационных процессов тектонически активных участков земной коры, является ключом к решению многих фундаментальных и прикладных проблем. В настоящее время уже не вызывает сомнения и тот факт, что исследование изменений этих напряжений во времени и пространстве является ключевым моментом в разработке физических основ прогноза землетрясений. Статистические методы анализа, на которых построены все современные методы сейсморайонирования, не выдерживают проверки временем. Происходят постоянные уточнения карт сейсмической опасности (карт сейсморайонирования СР-78, СР-97), вызванные, в общем-то, не только совершенствованием методик, но и появлением новых сильных землетрясений в тех районах, где ранее таковых не было. Это фактически показывает, что в изменяющемся поле напряжений геологическая среда постоянно находит способы формировать в качестве энергетически активных-именно те
„ НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА СПетерф
ОЭ Я
структуры, которые наилучшим образом отвечают принципу максимально эффективной диссипации энергии, накапливаемой в* процессе упругого деформирования горных пород. В силу этих обстоятельств исследование напряженного состояния земных недр является актуальной проблемой современных геофизических исследований.
Другая сторона - исследования механических свойств массивов горных пород. Эти данные важны при решении прямых задач по численному моделированию тектонических процессов. Вполне очевидна несостоятельность прямого переноса результатов лабораторных экспериментов по разрушению образцов горных пород с линейным размером в первые сантиметры на массивы с масштабом первые сотни метров - десятки километров. Здесь мы приходим к необходимости изучения напряженного состояния совместно с анализом активизирующихся в нем тектонических структур. Именно этот совместный анализ является ключом к изучению механических свойств природных массивов горных пород.
О перспективности подобных исследований говорят накопившиеся к настоящему времени практические результаты анализа закономерностей пространственного и временного изменения параметров напряженного состояния. Так, в работах [Корчемагин, Емец, 1987; Васильев, 2001; Сим, 2001; Сим и др. 2002] показана взаимосвязь определенных вариаций напряженного состояния с формированием залежей месторождений.
Цель работы. Создание методологии определения тектонических напряжений и приращений квазипластических (остаточных) деформаций, формирующихся в трещиноватых массивах горных пород, а также методов оценки параметров прочности и других механических свойств участков земной коры по данным о хрупких сколах и сейсмологическим параметрам очагов землетрясений.
Задачи исследования включают:
-
Определение основных физических закономерностей и особенностей квазипластического течения массивов горных пород в их естественном залегании на основе натурных данных о механизмах очагов землетрясений или совокупностях сколовых трещин.
-
Разработку методов реконструкции ориентации главных осей тензоров тектонических напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций, а также расчета соотношений главных значений этих тензоров на основе энергетических критериев квазипластического течения горных пород.
-
Создание методов оценки величин компонентов тензоров напряжений и квазипластических деформаций при использовании в качестве базовых результатов экспериментов над образцами горных пород, содержащих различного рода дефекты.
-
Разработку методики оценки параметров прочности и механических свойств больших объемов горных пород в их естественном залегании на
основе данных об активных структурах и результатах реконструкции параметров напряженного состояния. Методология исследований. Способы исследования тектонических напряжений могут быть разными. Стандартным приемом исследования тектонических напряжений является математическое или физическое моделирование, которое предопределяет предварительное создание модели структуры и реологии исследуемых участков земной коры и литосферы, а также модели граничных условий нагружения. Как правило, на стадии создания этих моделей вносятся достаточно сильные упрощающие предположения, которые не позволяют рассматривать результаты, получаемые при таком моделировании, в качестве надежных количественных данных, характеризующих конкретные особенности тектонического строения исследуемого участка земной коры. Здесь решающую роль приобретают методы исследования напряжений, деформаций и свойств массивов горных пород в их естественном залегании.
В настоящее время создан ряд методов расчета параметров напряженно-деформированного состояния хрупкой части земной коры и литосферы, базирующихся на анализе совокупностей активизирующихся сколов. В этих методах, используя данные о совокупностях сколовых трещин или механизмов очагов землетрясений, удается определить только часть параметров, характеризующих тензоры напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций. Это ориентация главных осей и коэффициент вида тензоров, определяющий отношение главных значений тензоров. С другой стороны, существуют методы оценки прочности и механических свойств земной коры, исходящие из результатов экспериментов над образцами горных пород и использующие ряд предположении о характере напряженного состояния, развивающегося в земной коре в условиях различных геодинамических обстановок (данные об ориентации главных осей напряжений здесь задаются априорно). Для решения поставленных задач следует создать единую методологию определения параметров напряженно-деформированного состояния и оценки механических свойств природных массивов горных пород, использующую существующие подходы и методы, и опирающуюся на комплекс натурных данных, доставляемых геологическими и сейсмологическими методами, а также на качественные закономерности поведения горных пород, полученные в результате экспериментов при высоких давлениях над образцами горных пород. Проведенные исследования следует относить к экспериментальным методам, позволяющим определять параметры напряженно-деформированного состояния массивов горных пород в их естественном залегании по натурным данным о совокупностях сколовых трещин, замеренных в обнажении, или по данным о механизмах очагов землетрясений.
Л.Оберт (1976, Разрушение, Т.7, 4.1, стр. 66) писал, что «...опытные данные по разрушению больших тел до сих пор весьма скудны .... но проблемы изготовления образцов в естественных условиях и создания оборудования для приложения нагрузки требуемой величины едва ли разрешимы». Вопреки его утверждению, геофизические исследования, направленные на
разработку методов оценки напряжений, деформаций и свойств больших объемов природных массивов на основе изучения «простых сдвигов» — трещин, позволили создать инструмент экспериментального изучения деформаций и разрушения массивов горных пород в условиях их естественного нагружения. Научная новизна. Результатом выполненных исследований является:
-
разработка нового метода «катакластического анализа» совокупностей сколовых трещин (механизмов очагов землетрясений), позволяющего осуществлять согласованный расчет ориентации главных осей тензоров напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций и коэффициентов, определяющих вид этих тензоров. Принципы расчета ориентированы на нахождение параметров указанных тензоров, для которых обеспечивается максимальное выделение внутренней энергии геомассива;
-
создание нового способа оценки величин эффективного давления и максимальных касательных напряжений, использующего на качественном уровне закономерности активизации существующих трещин, наблюденные в экспериментах над образцами пород. Способ ориентирован на оценку параметров хрупкой прочности природных массивов по результатам обработки натурных данных соответствующего масштабного уровня;
-
разработка в рамках наук о Земле новых алгоритмов расчета величин тензора напряжений на основе выполнения условий равновесия для совокупности соседних макрообъемов, в которых выполнены расчеты ориентации главных осей этих тензоров.
-
создание нового метода оценки параметров, характеризующих механические свойства природных массивов горных пород и, в частности, параметров прочности при хрупком разрушении, на основе натурных данных.
5. формулировка нового критерия идентификации плоскости, реализован
ной в очаге землетрясения, на основе законов хрупкого разрушения.
Основные защищаемые положения:
-
Макронапряжения квазиоднородно деформирующихся природных массивов горных пород определяют уменьшение внутренней энергии и упорядоченность по отношению к их осям распределения компонент снимаемых деформаций после каждого из актов смещения вдоль разрывов сплошности среды.
-
Тензор приращений сейсмотектонических деформаций рассчитывается в совокупной области упругих разгрузок землетрясений из однородной выборки и доставляет на искомом тензоре макронапряжений максимальное значение диссипации внутренней энергии.
-
Процесс установившегося квазипластического течения трещиноватых горных пород определяет активизацию плоскостей трещин и разрывов, ориентация которых лежит в пределах диапазона, соответствующего интенсивности девиаторной и величине шаровой компонент тензора макронапряжений.
-
Трещины одного иерархического уровня взаимодействуют друг с другом, обуславливая направления смещения вдоль их плоскостей, отвечаю-
щие максимальной диссипации внутренней энергии на действующих макронапряжениях. 5. Метод катакластического анализа совокупностей сколовых нарушений, направленный на совместное определение всех компонентов тензора напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций, а также параметров прочности природных массивов. Исходным материалом диссертационной работы являются сейсмологические данные о механизмах очагов землетрясений и геологические данные о сколовых трещинах. Базисом исследований являются результаты лабораторных экспериментов по разрушению горных пород и результаты исследований пластических деформаций образцов грунтов и пород, выполненные в рамках механики грунтов и оснований. Существующие методы и результаты исследований тектонических напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций также использованы при создании новой методологии.
Фундаментальность исследований определяется важностью проблемы изучения свойств и напряженного состояния геосреды в рамках наук о Земле. Предлагаемый подход опирается на исследование трещин сдвига и сочетает в себе как принципы механики разрушения, так и механики континуума. Полученные результаты следует рассматривать как базисные для теоретической геомеханики, тектонофизики, прикладной сейсмологии, ряда разделов геодинамики и физики очага землетрясений.
Практическая значимость основных научных результатов работы.
-
Выполненные исследования дают возможность получать оценки величин тектонических напряжений непосредственно по натурным данным. Эти результаты найдут приложение при создании карт сейсморайонирования тектонически активных участков земной коры, для оценки сейсмического риска и при прогнозировании месторождений полезных ископаемых
-
Критерий выделения реализованной плоскости в очаге землетрясения, сформулированный на основе выполнения условия максимальной диссипации энергии позволяет решать проблему детального анализа сейсмоге-нерирующих структур сейсмоактивных зон. Приложением этих результатов должно стать создание карт сейсмогенерирующих структур зон ВОЗ и уточнение сейсмического риска.
-
Исследование зависимости характера квазипластического течения от параметров напряженного состояния и предложенные способы оценки прочностных параметров массивов горных пород для реальных участков земной коры позволяют создавать реологические модели геофизической среды, более полно учитывающие ее структурное строение. Эти результаты вместе с результатами реконструкции параметров напряженного состояния найдут свое приложение при численном математическом моделировании геодинамического состояния тектонически активных участков литосферы.
-
Исследования, направленные на оценку динамических параметров очага землетрясения (сбрасываемые напряжения, энергия сейсмических волн,
снимаемая энергия) позволят уточнить параметры максимальных магни-туд в зонах ВОЗ и найдут приложение при оценке сейсмоопасности. 5. В совокупности развитый в диссертации подход к анализу характера и параметров квазипластического течения горных массивов позволяет с новых позиций взглянуть на проблему влияния человеческой деятельности на сейсмотектонический режим участков земной коры и дает возможность выбирать такие промышленные режимы, при которых снижается вероятность возникновения сильных землетрясений. Апробация работы. Результаты исследования докладывались: на международной конференции EUG VII, VIII в Страсбурге (1993, 1995), на международном семинаре «Напряжения в литосфере» (1994), на совещании «Структурные парагенезы и их ансамбли» Москва (1997), международном совещании «Структура верхней мантии Земли» (1997), в Парижском Университете Пьера и Марии Кюри на семинаре кафедры количественной тектоники (академик Французской Академии Наук Ж.Анжелье - 1997) на тектоническом совещании «Тектоника и геодинамика: Общие и региональные аспекты» (1998), семинаре МИТП РАН (зав. лаб. Б.Г.Букчин - 1998 и 2003), в МГУ на кафедре теории пластичности (проф. В.ДЛСлюшников - 1998) и кафедре динамической геологии (академик РАН Милановский Е.Е. - 1998), на международной конференции IUGG99 в Бирмингеме (1999), на проблемных семинарах ИФЗ РАН (член-корр. РАН А.С.Глико - 1999, член-корр. РАН Г.А.Соболев - 2002), совместных семинарах лабораторий ИФЗ РАН и ОИФЗ РАН (зав. лаб. С.С.Арефьев - 1999, проф. В.Н.Николаевский - 2002), семинаре академика РАН Ю.Г.Леонова в ГИН РАН - 2000 и 2002, на семинаре Подразделения оценки сейсмической опасности Геологической службы США, Менло Парк (проф. У.Муни - 2003). Публикации по теме диссертации. Опубликовано 37 научных работ, 17 из которых - индивидуальные работы автора, из них 11 — в рецензируемых научных журналах.
Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 455 страниц состоит из четырех глав, введения, заключения, приложения и списка литературы, включающего 226 наименований, иллюстрирована 175 рисунками и содержит 17 таблиц.
Благодарности. Автор посвящает эту работу памяти своего учителя, крупного механика, выдающегося ученого Адриана Сергеевича Григорьева. Автор благодарит сотрудников лаборатории тектонофизики Д.Н.Осокину, А.В.Михайлову, Ф.Л.Яковлева, в течение многих лет непосредственно помогавших в проведении исследований; сотрудников ИФЗ РАН С.С.Арефьева, Ж.Я.Аптекман, М.А.Беэра, Т.В.Романюк и др., совместные работы с которыми позволили автору глубже понять ряд важных аспектов проблемы. Чрезвычайно полезными были обсуждения на семинарах и при личных контактах с сотрудниками ГИН РАН А.В.Лукъяновым, М.Л.Коппом, В.Г.Трифоновым, МГУ Л.М.Расцветаевым, Л.А.Сим и МИТП РАН Б.Г.Букчиным, А.В.Ландером. Большое значение в формировании взглядов автора на про-
блему оказал О.И.Гущенко, длительное сотрудничество с которым было чрезвычайно полезно автору. Автор выражает большую благодарность профессору Парижского Университета Ж.Анжелье за полезные советы и помощь, а также профессору Ю.Мураками (JGS), профессору У.Муни (USGS) и профессору А.Д.Гвишиани (ИФЗ РАН), поддержавших эти исследования в рамках ряда международных геофизических проектов.
