Введение к работе
Актуальность темы. До настоящего времени открытым остается вопрос о фундаментальных основах физики и механики землетрясений. Несмотря на расширение сетей по регистрации сейсмической активности, огромный объем данных о феноменологических закономерностях землетрясений, это явление остается одним из наиболее катастрофических и недостаточно прогнозируемых природных катастроф. Проблемы сейсмологии связаны с решением ряда ключевых вопросов в физике и механике разрушения. Значительный интерес вызывает в последние десятилетия разработка подходов, отражающих нелинейные особенности процесса разрушения, сейсмических процессов в земной коре, обусловленных коллективными свойствами ансамблей дефектов, и связанными с ними проявления пространственно-временной инвариантности.
Данная тематика является актуальной в связи с применением новых технических разработок, позволяющих в полевых условиях регистрировать протекание процессов подготовки землетрясений на различных пространственных и временных масштабах, связанных с эволюцией поврежденное и напряженно-деформированного состояния земной коры.
Многие основные признаки землетрясений известны, начиная со средних веков, но только в последнее столетие развитие землетрясений связывается с механизмами структурной релаксации, обусловленными освобождением латентной упругой энергии вдоль существующих разрывов земной коры.
Современные исследования указывают, что землетрясения обнаруживают признаки динамических сложных многоуровневых систем, включая пространственно-временную локализацию событий, автомодельность, миграцию активности по системам нарушений земной коры1.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной и сложной научной проблемы - моделированию механизмов подготовки землетрясений с учетом коллективных эффектов развития несплошностей, определяющих нелинейный характер критических сейсмических событий.
Основные результаты были получены в рамках исследований, проводимых с участием автора по программе Президиума РАН «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах» (раздел «Стадийность процесса разрушения природных материалов и механизмы критичности сейсмических и техногенных явлений»), по проектам РФФИ №07-01-91100-АФГИР_а, № 10-05-96065-р_урал_а, № 07-01-96004-р_урал_а.
Часть результатов получена при выполнении международного проекта
Садовский М.А. Дискретные свойства геофизической среды. М: Наука. 1989. 174 с.
Американского фонда гражданских исследований CRDF RUG1-2866-PE-07 «Structural-scaling transitions, long-term dynamic clustering of fracture and temporal occurrence of technogenic and natural seismic events».
Целью диссертационной работы является разработка физико-математической модели процессов разрушения твердых тел на различных пространственных масштабах с учетом роли коллективных эффектов в ансамблях дефектов при формировании очагов разрушения; объяснение на основе полученных автомодельных решений для параметра поврежденности масштабно-инвариантных закономерностей развития сейсмических событий, с которыми связываются механизмы неустойчивого лавинообразного развития сдвиговых дефектов при подготовке землетрясений; исследование масштабно-инвариантных закономерностей накопления поврежденности при деформировании соляных пород (карналлита, сильвинита) на лабораторном масштабе.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
построение модели деформирования квазихрупких материалов, учитывающей влияние ансамблей типичных мезоскопических дефектов (микросдвигов) на процессы разрушения с использованием термодинамического потенциала, учитывающего взаимодействие дефектов;
экспериментальное исследование масштабно-инвариантных закономерностей при деформировании и разрушении соляных пород Верхнекамского калийного месторождения при различных условиях нагружения, скоростях нагружения и размерах образцов;
качественный анализ эволюционного уравнения для введенного параметра поврежденности с целью исследования автомодельных закономерностей локализации поврежденности и кинетики разрушения в терминах теории диссипативных структур обострения;
обоснование масштабно-инвариантных закономерностей развития сейсмических событий на основе численного моделирования формирования и кинетики зон локализованного разрушения - структур обострения в среде с дефектами;
моделирование на основе развитых представлений о кинетике процесса разрушения основных механизмов неустойчивого развития несплошностей сдвигового типа в локализованной области потенциального источника землетрясения.
Диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию кинетики формирования зон локализованного разрушения и объяснению автомодельных закономерностей развития сейсмических событий. Научная новизна работы заключается в том, что впервые с использованием разработанной математической модели и оригинальных экспериментов предложено объяснение масштабно-инвариантных закономерностей развития поврежденности при формировании очага землетрясения.
По результатам исследований установлено, что:
- выполнение масштабно-инвариантных закономерностей развития сейсмических
событий является следствием автомодельного характера развития поврежденности на завершающей стадии разрушения;
- переход к стадии неустойчивого лавинообразного развития поврежденности в
потенциальной области источника землетрясения инициируется локальными
возмущениями поля напряжения;
- формирование очага разрушения сопровождается инициированием возмущения поля
напряжения, ассоциируемым с наблюдаемыми на геологических масштабах
«медленными» движениями.
Обоснованность и достоверность результатов расчетов и теоретических выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается корректностью математических постановок задач, проведением тестовых расчетов, соответствием результатам других авторов, оригинальным и опубликованным ранее экспериментальным данным. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается соблюдением методологии проведения эксперимента, использованием поверенного метрологического оборудования, устойчивой воспроизводимостью результатов и согласием установленных закономерностей с результатами других авторов.
Прикладная значимость проведенных исследований обусловлена необходимостью совершенствования методов прогноза сейсмических событий с учетом физических механизмов, реализующихся на различных масштабных уровнях. Ряд результатов может быть использован для прогноза разрушения элементов конструкций при непрерывном мониторинге акустической эмиссии.
На защиту выносятся:
математическая модель, отражающая связь структурно-скейлинговых переходов в ансамблях мезодефектов сдвигового типа с механизмами разрушения горных пород;
качественный анализ эволюционного уравнения для параметра поврежденности, полученного из решения статистической задачи и термодинамического описания деформирования материала с дефектами, установивший наличие автомодельного решения, аналогичного LS-режиму (диссипативные структуры обострения);
экспериментально установленные масштабно-инвариантные закономерности деформирования и разрушения соляных пород Верхнекамского калийного месторождения для различных типов, скоростей нагружения и размеров образцов;
связь структурно-скейлинговых переходов в ансамблях мезодефектов с механизмами инициирования «медленных» движений в земной коре, формированием очага землетрясения и основными наблюдаемыми масштабно-инвариантными закономерностями развития сейсмических событий.
Апробация работы: Основные положения и результаты работы докладывались на 9 российских и 4 международных конференциях, в том числе: Зимние школы по механике сплошных сред (2007, 2009, Пермь), серия конференций «Петербургские чтения по
проблемам прочности» (2007, 2008, Санкт-Петербург), III Российская научно-техническая конференция «Разрушения, контроль и диагностика материалов и конструкций» (2007, Екатеринбург), серия Всероссийских конференций молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (2007, 2008, 2009, Пермь), Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (2008, Екатеринбург), Международная школа-семинар «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (2008, Томск), IV международный симпозиум «Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы» (2008, Бишкек, Киргизия), 17th European Conference on Fracture (2008, Brno, Czech Republic), Зб"1 Solid mechanics conference (2008, Gdansk, Poland).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 26 научных публикациях, в том числе в 4 статьях российских журналов из перечня ВАК, в 3 статьях в рецензируемых зарубежных журналах и в 19 статьях в периодических сборниках, трудах международных и российских конференций.
Личный вклад автора. Автором получены основные результаты, представленные в диссертации. На основе развитых определяющих соотношений разработана математическая модель развития поврежденности в области с потенциальным источником землетрясения; проведено моделирование стадии лавинообразного развития поврежденности при формировании очага землетрясения; разработан подход к описанию масштабно-инвариантных закономерностей в терминах амплитуд, магнитуд и размеров диссипативных структур обострения. Автор непосредственно участвовал в проведении экспериментов по нагружению образцов Верхнекамского калийного месторождения и проводил обработку экспериментальных данных, представленных в работе.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов по результатам исследования. Работа изложена на 165 страницах и содержит 79 рисунков, 4 таблицы, список цитируемой литературы из 181 наименования.
Благодарности. Автор диссертационной работы выражает благодарность д.т.н. В.А. Асанову и сотрудникам лаборатории физических процессов освоения георесурсов Горного института УрО РАН за помощь в проведении экспериментов, заведующему лабораторией морской геологии Института морской геологии и геофизики ДвО РАН к.ф.-м.н. Л.М. Богомолову, д.ф.-м.н. О.А. Плехову, всем сотрудникам лаборатории Физических основ прочности Института механики сплошных сред УрО РАН и научному руководителю д.ф.-м.н., профессору О. Б. Наймарку за обсуждение и плодотворное время совместной работы.
