Введение к работе
Диссертация посвящена численному моделированию нестационарішх геомеханических процессов с низким внутрешнш трением: движения' каменных лавин оолыюго объема (V > 0.5x1 о* м') и гравитационного коллапса сложных метеоритных кратеров, а также построению феноменологичесгах моделей этих процессов.'
Актуальность проолеыи
Нестационарные геомеханические процесса, сопровождающиеся аномально низким внутренним трением, на данный момент являются1 одним из наименее исследованных вопросов механики' деформируемого твердого тела. В последнее время, в связи с расширением программн космических исследований и проектам! строительства при помощи лавинного ' движения горной породы гигантских плотин гидроэлектростанция, существенно возрос интерес к этил процессам. Их изучение позволяет прояснить поведение разрушенной горной порода при больших геометрических масштабах (объем в случае лэеины и диаметр в случае кратера) и високих скоростях деформацій, которые в случае меньших значений этих параметров достаточно хорошо описываются законом предельного равновесия'Кулона-Мора.
Так как существующие теории этих процессов (а их оолее десяти только в случае лавин) не позволяют на данный момент сделать каких-лиоо практически вагзшх оценок их характеристик, то представляется логичным исследовать их с феноменологической точки зрения, питаясь на основе обобщения имеющихся фактов построить для них реологическое уравнение состояния. В силу того, что в обоих этих процессах существенным моментом является не стационарность (в' природе известно множество случаев, когда покоящаяся горная- порода даже при больших масштабах хорошо описывается законом Кулона-Мора), и так как
за диссипацию кинетической энергии в этих процессах отвечают сдвиговые напряжения, то главным моментом в их описания оудет, очевидно, зависимость сдвиговых напряжения от скорости деформации. Построенные в диссертации модели позволяют определить эту зависимость количественно, а также на основании некоторых предположении сделать вывод о зависимости сдвиговых напряжения от давления.
Метод численного моделирования, Еыораншя для решения этих ьадач, на данный момент является лучшим (если не единственным> методом их разрешения в силу слояшости и существенной нелинейности процессов.
Исследования нестационарных геомеханических процессов, сопровождающихся аномально низким внутренним трением, проводились в рамках плановых раоот Института динамики геосфер АН СССР по изучению природных и техногенных катастроф.
Цель ргооты Целью раооти - является построение численных феноменологических моделей нестационарных геомеханических процессов, характеризующихся аномально низким внутренним трением, а такке связанных с этими процессами геофизических эффектов, таких, как триггершй вулканизм и ооразование центральной и кольцевой горки в сложных кратерах и т.д.
Научная новизна Построены феноменологические численные модели движения каменных лавин оольшого объема и гравитационного коллапса ударних кратеров, определены параметры этих моделей. Показано преимущество степенной зависимости сдвиговых напряжений от скорости деформации перед двухвязкостной (и, соответственно, Сингаыовской) в случае каменных лавин оольшого оОъема. с использованием построенгінх моделей определен ряд параметров этих процессов, таких, как толщина слоя высоких скоростей деформации в случае лавины, деформация слоев породы в процессе
коллапса, первоначально залегающей псд кратером л т.д.
В гидродинамической модели гравитационного коллапса ударішх кратеров определена предельная вязкость, при которой не возникает отрыва, при ' сопоставлении этой вязкости с вязкостью, при которой в кратере образуется центральная горка, выдвинута гипотеза оо ооразовании кольцевой горки в слокгшх метеоритних кратерах па счет Быорсса чрсти материала из центральной горки.
На основании двухвязксстной модели гравитационного коллапса ударных кратеров сделана оценка градиента температури в коре Веиерц, необходимого для проявления триггерного вулканизма.
В предположении о принципиальной возможности единого описания нестационарных геомехапических процессов, сопровождающихся аномально ішзким и...( те5шим трением, сделана оценка зависимости сдвиговых напряжения от давления.
Достоверность результатов Правильность работы программ проверялась путїм их тестирования на задачах с известным решением, достоверность результатов подтверждается сравнением их с результатами опубликованных раоот и данными полових и космических исследований.
Научная и практическая ценность Предложенные в раооте модели позволяют проводить оценки целого ряда важных параметров процессов с низким внутрешшм трением. Модель движения каменных лавин большого объема важна с инженерной точки зрения. Модель гравитационного коллапса метеоритних кратеров позволяет провести оценку деформации породи, первоначально залегающей под крагерои, в процессе коллапса, а также связанной с этим процессом декомпрессии и принципиальной возможности триггерного вулканизма, других важних геомехошческкх и геофизических характеристик.
- ь -
Обе построенные феноменологические модели могут ;ОНТЬ использованы для проверки теоретических механизмов соответствующих процессов.
Адрооация раооты и пуолшации основные результаты диссертации '-докладывались на второй (Москва, 1390 г.) к третьей (Пасадана, 1991 г.; рабочих встречах Института динамики геосфер АН СССР и Калифорнийского технологического института по исследованию дальнепрооежных лавин, на 22 Лунно-планетной канференщш (Хьюстон, 139т г.), Научных конференциях МФТИ (1988-1991 г.), 14 совместном шкросимгозиуме і'ЕОХИ АН СССР и университета Брауна (Москва, 1991 г.), научных семинарах кафедри геофизики сильных возмущений МФТИ. Основные результаты диссертации пуоликуются в работах [1-6].
структура и ооъем раооты Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка цитируемой литературы (32 наименований). она содержится, страниц с 2 иллюстрациями.