Введение к работе
Актуальность. Поставленная в 60-х годах в разных странах мира задача практического прогноза землетрясений стимулировала изучение их природы и закономерностей сейсмического процесса. При этом выяснилось, что господствовавшие в сейсмологии долгие годы представления о земной коре как сплошной горизонтально-слоистой среде не достаточны для понимания физики землетрясений. Описание самого землетрясения гипоцентром и весьма условными размерами очага но раскрывало сущности физического процесса его подготовки и реализации и поэтому не могло послужить основой для создания методик поисков и интерпретации предвестников.
Крупным шагом было создание ряда моделей, рассматривавших процесс подготовки землетрясений на основании развития ансамбля трещин. Эти модели позволяют качественно описывать-процесс подготовки в условиях статистически однородной среды.
Однако, сейсмический процесс протекает в условиях существенно неоднородных литосферы и земной коры. Важным свойством, как было понято в последние годы, является иерархичность блокового строения горной породы, прослеживающаяся в масштабах от микрон до тысяч километров (М.А.Садовский, В.Ф.Писаренко и др.). Зоны контактов, резко отличающиеся по своим физическим свойствам от материала блока, играют существенную роль в генезисе динамических явлений в горных породах, проявлением которых на уровне метров выступают горные удары, а на уровне километров - землетрясения.
Принятие блочно-иерархической модели среды; естественно, требует изменения такке методики лабораторного моделирования, базирующейся но изучении ааконокорностей подготовки ;< развития
сдвигового разрыва в образцах модельных материалов и горних пород. Роль дискретного строения горних пород настолько велика в физических процессах в очаге землетрясения, что многочисленные результаты, полученные при традиционных исследованиях по разрушению сплошных образцов недостаточны для интерпретации сейсмических наблюдений. В связи с этим становятся актуальными модельные исследования сейсмических процессов, в которых учитывается блоковый характер природной среда, упомянутый выше.
Цель и задачи работы. Разработка нового направления в геофизическом моделировании - динамика развития иерархических блочных структур в горных породах.
При этом решались следующие задачи:
-
Разработка комплекса нагружающих оистем, позволяющих создавать сложное напряженное состояние в широком диапазоне скоростей деформации, и отработка методик их использования.
-
Создание комплекса измерительной и регистрирующей аппаратуры для наблюдения аналогов геофизических полей в процессе деформирования.
-
Выбор модельного материала, упруго-пластические свойства которого могут варьироваться в широком диапазоне, и вещества, испытывающего сдвиговую подвижку при фазовом переходе.
-
Выбор условий эксперимента, режима, способа и типа на-гружения, приводящих к образованию блочно-иерархической структуры в материале.
-
Исследование формирования и развития блочно-иерархической структуры в материале при деформировании в условиях сложного напряженного состояния, а также при фазовом переходе.
-
Изучение влияния масштабного эффекта, физико-механических и физико-химических свойств материала, условий эксперимента,
та, режима и типа нагружения, природы воздействия на величину переходного коэффициента в иерархической последовательности блоков.
7. Исследование взаимосвязи между процессом блокообразо-вания и параметрами акустической эмиссии (активнооть, энерговыделение).
8- Изучение формирования и развития сдвиговых подвижек в модели при двухосном сжатии и при фазовом переходе. Изучение упругих импульсов, излучаемых при подготовке и реализации сдвиговых подвижек.
Использованные материалы и методика исследования. В качестве модельного материала применялись эпоксидная смола и сегнетовая соль (пооледняя испытывала фазовый переход второго рода при температуре 24 С). Из горных пород были исследованы мрамор, гранит и каменная'соль. Сдвиговые подвижки исследовались иа моделях в виде прямоугольных призм из органического стекла с вклеенными по диагонали, под углом 45 к направлению действия нагрузки, пластинами из прессованного порошка сегнетовой соли. Исследование процесса блокообразования осуществлялось при одно-, двух- и трехосном сжатии, а также в условиях всестороннего давления с добавлением осевого сжатия. Эксперименты проводились, в основном, при комнатной температуре и частично при температуре фазового перехода. При этом использовались следующие методы изучения: а) микроскопии; б) акустической эмиссии; в) ультразвукового просвечивания; г) контроля температурного поля; д) измерения пьезоэффекта; е) измерения электрической емкости. Методы пп. "д" и "е" применялись только б экспериментах при моделировании сдвиговой подаккки.
Фактический материал. Настоящая работа является обобщением данных более чем 6000 опытов, проведенных на вышеуказанных материалах искусственного и естественного происхождения.
Научная новизна.
-
Разработана принципиально новая методика лабораторного моделирования, обеспечивающая при деформировании образца формирование и развитие в материале блочно-иерархичоской структура.
-
Впервые изучены закономерности формирования и развития блочно-иерархической структуры.
-
Исследовано блокообразование при фазовом переходе.
-
Установлено отсутствие зависимости (постоянство) переходного коэффициента иерархической последовательности от масштабного эффекта, физико-механических и физико-химичеокях овойств материала, условий эксперимента, режима и типа нагруже-ния, природы воздействия.
Г). Впервые изучен комплекс параметров акустической эмиссии при.образовании блоков разного ранга.
6. Обнаружены новые закономерности подготовки, развития и залечивания сдвиговой подвижки в двух типах экспериментов: в отсутствии и при наличии фазового перехода. Зарегистрированы излучаемые при этом упругие импульсы.
Практическая ценность. Полученные результаты подтверждают и уточняют некоторые положения блочно-иерархйческой модели геофизической среди. Они могут быть использованы при интерпретаций сейсмологических данных, связанных с поиском предвестников землетрясений. Результаты лабораторных исследований могут применяться также в механике горних пород И горном деле для объяснения процессов структурообразованйя и разрушения.
Защищаемые положения. Новое направление в геофизическом моделировании - лабораторное моделирование формирования блоковой иерархической структуры и сейсмического процесса в ней;
методика инициирования блочно-иерархической структуры в материале;
закономерности формирования и развития блочно-иерархической структури при деформировании материала в условиях сложного, напряженного состояния, а также при фазовом переходе;
отсутствие зависимости переходного коэффициента иерархической последовательности от масштабного эффекта, физико-механических и физико-химических свойств материала, условий эксперимента, режима и типа нагружения, природы воздействия;
закономерности излучения акустической эмиссии при формировании и развитии блочно-иерархической структуры;
результаты модельных исследований процесса"подготовки, развития и залечивания сдвиговой подвижки в экспериментах при двухосном сжатии в отсутствии и при наличии фазового перехода.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов определяется большим числом проведенных экспериментов и статистическим анализом результатов, показавшим, что полученные закономерности выходят за пределы возможных ошибок.
Апробация работы и публикации. Основная-часть работы докладывалась на семинарах Института физикп Земли РАЛ, отдельные результаты были представлены на пяти всесоюзных и четырех международных конференциях, изложены в 20 опубликованных работах.
ОЗъем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов. Ока содержит страниц машинописного текста, рисунков. Список литературы включает названия.
Работа выполнена в Институте физики Земли РАН, ряд экспериментов проведен автором в Институте физики и механики горных пород АН Кыргызстана.
Автор прежде всего выражает сердечную признательность научному консультанту, академику РАЕН Г.А.Соболеву за постоянное внимание и всестороннюю помощь. В отдельных экспериментах по акустической эмиссии принимал участие д.ф.-м.и. В.А.Мансуров, которому автор приносит свою искреннюю благодарность. Автор многим обязан к.ф.-м.н. А.Д.Завьялову, внимательно просмотревшему рукопись, за его цешше замечания и предложения. Искренняя благодарность коллегам, предоставившим свои данные: проф. Р.В.Гольд-штейну и к.ф.-м.н. Н.М.Осипенко; к.ф.-м.н. А.И.Левыкину и проф. Ф.Руммелю из Геофизического института Бохумского университете Германии. Следует выразить особую благодарность д.ф.-м.н. С.Д.Виноградову и к.ф.-м.н. С.М.Киреенковой, внимательно прочитавшим рукопись и сделавшим ряд ценных замечаний. Автор признателен также д.ф.-м.н. В.А.Калинину, проф. Л.В.Никитину и В.Ф.Писаренко за полезные дискуссии. Большую практическую помощь оказали автору сотрудники лаборатории 703 Института физики Земли РАН.