Введение к работе
Верхние слои Земли разбиты сетью субвертикальных разломов и трещин, имеющих различную длину и глубину проникновения. В последнее время методами сейсмологии и с помощью сверхглубокого бурения повсеместно установлены также горизонтальные нарушения (расслоенность) литосферы и верхней мантии. Пересечение субвертикальных разломов (трещин) различной глубины проникновения и горизонтальных нарушений приводит к формированию в земной коре и верхней мантии блочных отдельностей.
Другой, установленной прямыми измерениями и анализом механизмов землетрясений особенностью верхних слоев Земли является наличие более чем на 95% поверхности сжимающих напряжений.
На первый взгляд эти две особенности исключают друг друга: первая свидетельствует о ее растяжении, вторая - о таком же повсеместном горизонтальном сжатии. Однотипность блочных структур в земной коре разного масштабного уровня, вплоть до глобального, и повсеместная распространенность сжимающих напряжений в верхних геосферах говорят, очевидно, о едином планетарном механизме их образования.
Вариант обобщенной модели Земли, способной в принципе
объяснить указанные выше особенности, был предложен
А.Н.Ромашовым. В этой модели Земля представляется в виде
системы, состоящей из расширяющейся внутренней мезосферы и
внешней оболочки, которая сдерживает это расширение,
подвергаясь растяжению и разрушению. Другой важной чертой
модели является двухслойный характер поведения внешней
оболочки, когда происходит ее "разделение" на слои,
деформирующиеся пластическим образом (нижний слой), и слои, в которых возможно разрушение (верхний слой). При этом процесс
разрушения верхнего слоя не заканчивается образованием одиночных субвертикальных трещин, а формирует упорядоченные блочные структуры. Актуальность проблемы
По поводу прогноза развития наук о Земле до 2000 года и далее академик М .А.Садовский отмечал, что "разработка принципиально новых моделей материала Земли... встала в повестку дня сегодняшней физики твердой Земли и от ее решения зависит успех в адекватном описании комплексного процесса развития Земли...". При этом наиболее важной особенностью модели является "фундаментальное свойство геофизической среды, заключающееся в том, что она состоит из системы неоднородностей (блоков, отдельностей), которые взаимодействуют друг с другом и обмениваются энергией в процессе деформирования среды".
Совершенно очевидно, что это "фундаментальное свойство" (блочность) не является изначальным, а возникло, скорее всего, в результате какого-то направленного геофизического процесса. Этот процесс шел на протяжении всей геологической истории Земли и продолжается в наше время. И если результатом этого процесса является современная блочная структура земной коры и верхней мантии, включая горизонтальную расслоенность внешней оболочки, то ход этого же процесса в настоящее время отражается в современной тектонической активности, одним из проявлений которой является сейсмичность Земли.
В диссертации как раз и поставлена задача выяснения условий и закономерностей формирования блочных структур и их взаимодействия между собой и с подстилающими слоями.
С другой стороны , выявление закономерностей
возникновения вертикальных и горизонтальных нарушений «весьма
важно для совершенствования основ геокартирования и
ориентировки работ по прогнозу поисков месторождений полезных
ископаемых». Это направление исследований, как сказал академик Ю.М. Пущаровский «должно быть приоритетным в течении довольно длительного срока, который предсказать трудно".
Важным проявлением современной тектонической активности Земли является также напряженность земных недр. В диссертации предпринята попытка выяснения природы аномальных напряжений в массивах горных пород, что очень важно для практической деятельности человека как внутри, так и на поверхности массивов горных пород. Цель работы
На основании модели Земли в целом и представления о внешних геосферах как о двухслойной системе можно поставить следующие целевые вопросы:
1. Есть ли предел дробления верхнего слоя на блоки и чем он
обусловлен?
2. Какова геометрия блоков, и с чем она связана?
3. Какова природа аномальных напряжений, действующих в
блоках?
4. Есть ли взаимосвязь между геометрией блока и его
напряженным состоянием?
5. Какие из блоков являются наиболее напряженными, где
следует ожидать очередного нарушения и чем будет
определяться направление дальнейшего развития блочной
структуры?
В настоящей диссертации предпринята попытка ответить на эти вопросы хотя бы в первом приближении. Научная новизна
В работе исследованы закономерности разрушения верхнего слоя плоской двухслойной модели при ее растяжении. При этом установлено: процесс разрушения идет равномерно по всей поверхности слоя, формируя упорядоченную блочную структуру;
блочная структура в верхнем слое имеет предел развития, характеризующийся минимальным размером блока, который зависит от соотношения прочностеи материала этого слоя на отрыв и на сдвиг.
Исследовано влияние вида деформирования нижнего слоя двухслойной модели на характер разрушения верхнего слоя. Выявлены условия деформирования, при которых разрушение идет путем формирования сбросовых или сдвиговых нарушений в верхнем слое.
На основании проведенных исследований предложены новые возможные механизмы возникновения в поверхностных слоях Земли избыточных тектонических напряжений и формирования в пределах земной коры и верхней мантии горизонтальной расслоенное. Практическая ценность
В диссертации поставлена задача выяснения на моделях условий, и закономерностей формирования блочных структур, характерных для внешних геосфер и их напряженного состояния, что может быть использовано при разработке моделей природных и техногенных землетрясений и горных ударов. Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и
заключения. В первой главе установлены закономерности
разрушения двухслойной модели в зависимости от толщины и прочностных характеристик материала верхнего слоя в случае одноосного растяжения. Во второй главе рассмотрено влияние вида деформирования нижнего слоя на характер разрушения и величину блоков, образующихся при разрушении верхнего слоя. В третьей главе проведено качественное и количественное, с использованием критериев подобия, сравнение формы и относительных размеров блоков в модели и натуре. В четвертой главе исследованы поля напряжений, действующих в отдельном блоке при его растяжении по основанию.
Диссертация содержит 126 страниц машинописного текста, включает 46 рисунков, список литературы из 101 наименования.
Автор признателен научному руководителю д.т.н. Ромашову А.Н. за всестороннюю помощь при работе над диссертацией, Евменову В.Ф., к.ф.-м.н. Кондратьеву В.Н., Орлову Ю.Ф. за содействие в ее выполнении. Апробация работы