Введение к работе
Хорошо известно, что мощные землетрясения представляют серьезную угрозу для населения и инфраструктуры, особенно таких объектов, как жилые помещения, нефте - и газопроводы, терминалы, порты, дороги и др. Многие геологические структуры обладают возможностью долговременно накапливать деформации, но при этом кратковременно разряжаться в виде землетрясений. Разрядка таких напряжений может сопровождаться негативными геологическими явлениями в виде межслоевых срывов, абдукции или субдукции по ослабленным направлениям и т.п. Такие виды тектонической подвижности могут приводить к активизации оползней и грязевого вулканизма, изменению химического состава гидрологических объектов в связи с изменениями генезиса разных водоносных горизонтов, изменению ландшафтов с вытекающими отсюда негативными экологическими последствиями.
В настоящее время накоплен значительный материал, относящийся к оценке произошедших землетрясений, проявлению некоторых признаков нарастания сейсмичности, закону повторяемости землетрясений, по оценкам магнитуды и балльности сейсмических событий, зонах традиционного проявления этих событий. Однако исследований по анализу сейсмической напряжённости с позиции механики разрушения литосферных плит выполнено очень немного.
Известные в этой области работы связаны со значительной идеализацией литосферных плит – идеализацией неоднородностей, разломов, вызванных незнанием строения литосферных плит в заданном районе.
Тем не менее концепция механического разрушения литосферных плит имеет под собой основу.
Различные вопросы теории и методов исследования как граничных задач для дифференциальных уравнений, описывающих поведение деформируемых тел, так и свойств самих материалов рассматривали М.А. Алексидзе, И.Н. Векуа, М.И. Вишик, В.С. Владимиров, И.И. Ворович, И.Ц. Гохберг, Д.А. Индейцев, М.Г. Крейн, В.Д. Купрадзе, О.Н. Ладыженская, В.П. Маслов, В.П. Матвеенко, С.Г. Михлин, Н.Ф. Морозов и др. Существенные результаты при исследовании смешанных краевых задач получили В.М. Александров, Б.Д. Аннин, Н.Х. Арутюнян, А.В. Белоконь, А.О. Ватульян, И.И. Ворович, Б.М. Глинский, Е.В. Глушков, Н.В. Глушкова, А.Г. Горшков, Р.В. Гольдштейн, И.Г. Горячева, И.М. Дунаев, Д.А. Индейцев, В.В. Калинчук, В.И. Колесников, А.В. Манжиров, Н.Ф. Морозов, А.Д. Полянин, В.И. Моссаковский, С.М. Мхитарян, В.В. Панасюк, Г.Я. Попов, О.Д. Пряхина, В.С. Саркисян, М.В. Сильников, А.В. Смирнова, Т.В. Суворова, Д.В. Тарлаковский, Л.А. Фильштинский.
Вопросы концентрации напряжений в деформируемых телах при наличии дефектов были глубоко изучены в работах В.Г. Баженова, И.И. Воровича, И.Г. Горячевой, А.Н. Гузя, И.М. Дунаева, В.А. Еремеева, Л.М. Зубова, Д.А. Индейцева, Д.М. Климова, Л.П. Лебедева, Н.Ф. Морозова, А.В. Наседкина, В. Новатского, В.В. Новожилова, И.Ф. Образцова, Б.Е. Победри, М.Г. Селезнева, А.Ф. Резчикова, Ю.А. Устинова, В.И. Феодосьева, К.В. Фролова, Е.И. Шемякина, Ю.Г. Яновского.
Приведем аргументы, которые дают основания применять этот подход в изучении проблем сейсмичности.
Кора Земли представляет собой деформируемое тело – сферическую плиту в глобальном масштабе и плоскую в локальном; в основном упругую, имеющую сложное строение, в которой различают, как правило, три характерные границы: между осадочными структурами и кристаллическими – гранитом, между гранитом и базальтом (граница Конрада) и между базальтом и верхней мантией (граница Мохоровичича). Это не исключает наличия и других многочисленных границ, ”индивидуальных” в разных местах Земли. Нельзя исключать и часть коры Земли, занимающую превосходящую по площади территорию суши, покрытую океаном, где сформирована граница между водным слоем и непосредственно твердыми кристаллическими структурами дна.
Экспериментальные исследования глубинного строения литосферной плиты вплоть до нижнего основания в штате Огайо, выполненные зарубежными учеными методом вибросейсморазведки с использованием тяжелого передвижного вибросейсмоисточника
Y-3000, показали наличие как трещиноватого строения, претендующего на блочность литосферной плиты, так и зоны ее сплошности.
На территории Краснодарского края в течение многих десятилетий выявлялись разломы литосферных плит на основании как структур геологического строения рельефа, так и зон повторяемости землетрясений. На этой основе построена ГИС карта.
В то же время нет глубоких исследований типов разломов: являются ли они сплошными (до границы Мохоровичича) или частичными, выходящими на поверхность, либо на нижнее дно литосферных плит, или чисто внутренними.
В ряде работ разломы моделируют трещинами. Но на примере региональных разломов Краснодарского края видно, что некоторые из них имеют протяженность в несколько десятков километров и имеют каньонный характер. К ним модель трещины применять нельзя, нужен другой подход. Все перечисленные сведения о разломах могут быть получены, по-видимому, только экспериментальным путем.
В связи с вышесказанным можно сделать вывод о том, что нет достаточно глубоких исследований влияния разных типов разломов на напряженно-деформированное состояние среды и возникающие при этом сейсмические волны. В настоящей работе предпринята попытка решения некоторых из этих сложных проблем. В частности, впервые методом блочных элементов строится модель каньонного разлома. Основанием исследования являлось, в первую очередь, создание в КубГУ и ЮНЦ РАН центров коллективного пользования геофизическим оборудованием, включающим тяжелые вибросейсмоисточники Y – 3000, А – 1100, сейсмограф NX-48, Магнитотеллурическое оборудование «PHOENIX». Прогресс в теоретическом исследовании состоит в развитии в КубГУ и ЮНЦ РАН методов блочных структур, позволивших исследовать ранее не поддающиеся анализу граничные задачи.
Актуальность проведенных исследований определяется возможностью широкого использования их результатов в решении перечисленных выше задач сейсмической безопасности. В условиях роста тектонической активности территории Земли потребностями практики диктуется необходимость разработки и применения комплексных методов оценки тектонических нарушений и надежного прогноза сейсмоактивных зон.
Целью исследования в диссертации является описание напряженно-деформированного состояния коры Земли в зонах нарушения сплошности и, прежде всего, в зонах разломов, в том числе существующих в зонах грязевулканической деятельности, а также нарушений однородности среды.
1. Таким образом первая задача, поставленная в диссертации заключается в разработке методов оценки напряженно-деформированного состояния литосферных плит вблизи зон нарушения сплошности.
Однако эта задача будет носить чисто абстрактный характер до тех пор, пока не будут установлены истинные параметры разломов и нарушений однородности, их геометрические параметры и физико-механические свойства примыкающей среды. Последняя задача может быть решена только экспериментально.
2. Отсюда вторая задача, поставленная в диссертации, состоит в разработке методов исследования геометрии в зонах нарушения сплошности и однородности среды до глубин, охватывающих всю толщину литосферных плит.
Научная новизна результатов работы
В связи с огромным разнообразием типов нарушений сплошности и неоднородностями реальных литосферных плит, охватить все из них каким-то набором упрощенных стандартов, например, плоскими полостями, трещинами или включениями, и применить известные методы их расчета не представляется возможным. Природа создала совершенно неожиданные и гораздо более сложные по своей геометрической конфигурации нарушения сплошности, отклонения от которых могут существенно изменить параметры напряженно-деформированного состояния среды. Для описания сложных типов нарушений сплошности в диссертации впервые используются факторизационные методы, имеющие топологическую основу. К ним относятся дифференциальный и интегральный методы факторизации. Благодаря использованию этих методов представление параметров напряженно-деформированного состояния среды можно представить в интегральном виде.
В экспериментальном исследовании новым является одновременное использование комплекса методов – вибросейсморазведки и магнитотеллурического метода.
Научное и практическое значение результатов работы
Научное значение исследования состоит в развитии новых математических методов исследования напряженно-деформированного состояния протяженных тел со сложной границей и смешанными граничными условиями.
Практическое значение исследования состоит в решении важной проблемы оценки напряженно-деформированного состояния литосферных плит, необходимой для прогноза нарастания сейсмичности и возможности возникновения землетрясений.
Практическое значение работы состоит и в развитии новых экспериментальных методов поиска полезных ископаемых на основе применения комплекса методов вибросейсморазведки и магнитотеллурики.
Работа выполнена в КубГУ и ЮНЦ РАН в рамках исследований при поддержке грантов РФФИ в 2005 – 2009 годах (проекты 05-01-00902-а;06-01-00295-а; 06-01-96637-р_юг_а; 06-08-00671-а; 06-01-96804-р_юг_офи; 06-08-96800-р_юг_офи; 07-05-00858-а; 07-01-12028-офи; 08-01-99013-р_офи; 08-07-10000-к; 08-08-00447-а; 08-08-00669-а; 09-08-00171-а; 09-08-00294-а; 09-08-96522-р_юг_а; 09-08-96527-р_юг_а)
Достоверность результатов
Достоверность теоретических результатов следует из применения факторизационных методов – дифференциального и интегрального методов факторизации, опубликованных в ведущих журналах, переведенных зарубежом и применяемых к различного типа задачам в других областях науки. Эти результаты докладывались на конференциях и семинарах, включены в научные отчеты.
Экспериментальные исследования проводились с использованием сертифицированного отечественного и зарубежного оборудования по утвержденным методикам.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на Всероссийских конференциях грантодержателей РФФИ в 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г., (Краснодар) на семинарах отдела проблем математики и механики ЮНЦ РАН, Научно-исследовательского центра прогнозирования и предупреждения геоэкологических катастроф Кубанского государственного университета, на заседаниях кафедры математического моделирования Кубанского государственного университета.
Публикации
Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, содержатся в 16 публикациях, из которых 7 первых работ – в важнейших изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
