Введение к работе
Механический подход все в большей мере применяется для решения проблемы прогноза сильных землетрясений, что является важной задачей, способной сохранить тысячи человеческих жизней, предотвратить экологические катастрофы. В данной области ведутся теоретические и экспериментальные исследования. Но и в первом и во втором случае из-за ограниченности данных о структуре земной коры и детализации процессов, в ней происходящих, приходится пользоваться моделями, представляющими некую идеализацию. В связи с этим требуется постоянная верификация как теоретических знаний, так и знаний, полученных в результате эксперимента.
Исследованию процессов в коре Земли, связанных с оценкой напряженно-деформируемого состояния посвящено много работ, в том числе и работы по построению моделей поведения различных блочных структур, описываемых граничными задачами механики сплошных сред.
Различные методы исследования граничных задач для дифференциальных уравнений, которые описывают поведение деформируемых тел и свойства самих материалов, рассматривали И.Н. Векуа, М.И. Вишик, B.C. Владимиров, И.И. Ворович, Л.В. Канторович, М.Г. Крейн, В.Д. Купрадзе, О.Н. Ладыженская, В.П. Маслов, В.П. Матвиенко, С.Г. Михлин, Н.Ф. Морозов, С.Л. Соболев, Е. Hopf, L. Hormander, С. Morrey, М. Nagumo, L. Nirenberg, J. Schaunder и др.
Различные вопросы решения контактных задач для твердых
деформируемых тел рассматривали в своих работах
В.М. Александров, Б.Д. Аннин, Н.Х. Арутюнян, В.А. Бабешко,
В.Г. Баженов, А.В. Белоконь, А.К. Беляев, А.О. Ватульян,
И.И. Ворович, Б.М. Глинский, Е.В. Глушков, И.В. Глушкова,
А.Г. Горшков, Р.В. Гольдштейн, И.Г. Горячева, А.Н. Гузь,
И.М. Дунаев, В.И. Ерофеева, Е.И. Шемякин, М.В. Зарецкая,
Л.М. Зубов, Л.А. Игумнов, М.А. Ильгамов, Д.А. Индейцев,
В.В. Калинчук, Д.М. Климов, В.И. Колесников, A.M. Кривцов,
В.А. Крысько, С.А. Лурье, Е.В. Ломакин, А.В. Манжиров,
Н.Ф. Морозов, В.И. Моссаковский, СМ. Мхитарян,
А.В. Наседкин, В. Новацкий, В.В. Новожилов, И.Ф. Образцов, А.В. Павлова, В.В. Панасюк, В.Е. Панин, Ю.В. Петров, Б.Е. Победря, А.Д. Полянин, Г.Я. Попов, О.Д. Пряхина, B.C. Саркисян, М.В. Сильников, А.В. Смирнова, Т.В. Суворова, А.Ф. Резчиков, Д.В. Тарлаковский, Ю.А. Устинов, Л.А. Филыптинский, М.И. Чебаков, Ю.Г. Яновский, J. Achenbach, В. Baker, F. Bazi, Т. Blacker, В. Brickstad, P. Challande, L. Charles, W. Chen, Y. Cheung, L. Gray, W. Koiter, R. Low, M. Lowengrub, E. Smith, С Wang и др.
Интенсивное развитие средств глобальной спутниковой
системы GPS/ГЛОНАСС позволило получать новые данные и
выявлять новые предвестники землетрясений на основе
глобальных наблюдений за деформациями территории. Новые
экспериментальные методы позволили подтвердить не только
уже существующие модели, например, модель блоковой
структуры литосферной плиты, но и обнаружить новые явления.
Экспериментальные исследования поведения напряженно-
деформированного состояния коры Земли в сейсмоопасных
районах, осуществляемые с помощью приборов, отслеживающих
уровни изолированных вод в гидрогеологических скважинах,
данные измерений с помощью высокоточных GPS/ГЛОНАСС-
приемников, наклономеров позволяют предполагать
существование медленных сейсмических волн,
распространяющихся в коре Земли.
Проявление этих волн наблюдается спустя некоторое достаточно продолжительное время в зонах, удаленных от эпицентра произошедшего землетрясения. Медленные сейсмические волны являются также, по-видимому, главными причинами так называемого сейсмического дальнодействия, состоящего в реагировании сейсмических приборов на изменение сейсмической обстановки перед событием даже в зонах, значительно удаленных от мест сейсмических событий.
Выяснение этих вопросов требует максимально полной геофизической информации с обширной территории и, возможно, со всей поверхности Земли, а также развития математических средств, позволяющих на достаточно адекватных математических
моделях строго имитировать протекающие в коре Земли механические процессы.
В диссертационной работе, на основе метода блочного элемента и экспериментальных данных с учетом блочной структуры строения коры Земли, рассматривается задача обоснования существования медленных сейсмических волн.
Экспериментальная часть работы посвящена анализу геофизических данных, полученных в результате мониторинга различными аппаратурными средствами.
Актуальность проведенных исследований определяется необходимостью решения важной проблемы прогноза сильных землетрясений, часто несущих огромный материальный ущерб и человеческие жертвы. Экспериментальные данные, полученные с помощью высокоточных приемников GPS/ГЛОНАСС, и данные исследования гидрогеологического поля позволили сделать вывод о том, что медленные сейсмические волны несут в себе энергию, позволяющую вызвать слабые землетрясения. А в случае, когда накопившаяся потенциальная энергия способна вызвать сильное землетрясение, эти волны могут сыграть роль спускового механизма. Поэтому исследование медленных сейсмических волн является необходимым звеном в выявлении новых предвестников землетрясений.
Целью исследования является: теоретическое обоснование возможности существования медленных сейсмических волн в блочной структуре коры Земли, исследование сейсмических трасс и описание экспериментальных данных по исследованию блочной структуры коры Земли для построения модели возникновения медленных сейсмических волн для реальных условий.
Таким образом, первая задача, поставленная в диссертации, заключается в использовании метода блочных элементов для оценки сейсмических трасс и теоретическом обосновании возможности возникновения медленных сейсмических волн в блочных структурах.
Однако эта задача будет носить чисто абстрактный характер до тех пор, пока не будут установлены истинные параметры блочной структуры, то есть ее физико-механические свойства и
размеры. Последняя задача может быть решена только
экспериментально.
Отсюда вторая задача, поставленная в диссертации, -
разработка метода определения типов сопряжения блоков,
влияющих на распространение медленных сейсмических волн,
разработка экспериментальных методов обнаружения
сейсмических характеристик, свидетельствующих о
существовании медленных сейсмических волн и исследование процессов изменений в блочной структуре коры Земли с помощью наклономера.
И третья задача - выявление новых предвестников землетрясений на основе экспериментальных исследований с использованием модели блочной структуры коры Земли.
Научная новизна результатов работы
В теоретической части научная новизна диссертационной работы состоит в том, что метод блочного элемента, разработанный в Южном научном центре РАН и Кубанском государственном университете, дал ряд новых результатов в области прогноза землетрясений и прочности материала. В диссертационной работе на основе метода блочного элемента доказана возможность существования медленных сейсмических волн, уточнены исследования, связанные с сейсмическими трассами, что получило экспериментальное подтверждение.
С помощью комплексного метода активного
вибросейсмического мониторинга предложено измерение скоростных характеристик среды с высокой точностью, что позволяет применять этот метод для отслеживания изменений в напряженно-деформированном состоянии участков литосферной плиты блочной структуры. Экспериментальные исследования в области наклонометрии выявили возможность использования этих данных для оценки состояния земной коры блочной структуры в дальней зоне, что согласуется с моделью медленных сейсмических волн в блочной структуре.
Научное и практическое значение работы
В диссертационной работе определено направление исследования, связанное с изучением резонансных свойств блочных структур, которое позволяет целенаправленно
исследовать медленные сейсмические волны от разных источников, пересечение трасс которых может являться зоной возможных сейсмических событий.
Практическое значение экспериментальных работ комплексным методом активного вибросейсмического мониторинга состоит в решении важной проблемы оценки напряженно-деформированного состояния литосферных плит блоковой структуры с целью обнаружения зон сопряжения блоков (дилатансных зон), способных влиять на распространение медленных сейсмических волн. Решение этой задачи позволит строить модель возникновения медленных сейсмических волн для реальных условий и оценивать сейсмическую ситуацию в краткосрочном и среднесрочном плане.
Экспериментальные работы в области наклонометрии открыли возможность использовать наклономеры для прогноза землетрясений не только в зоне регистрации дилатансной области, но и в дальней зоне на расстояниях превышающих размеры отдельных блоков земной коры.
Диссертационное исследование проводилось в Кубанском государственном университете в рамках ряда федеральных и краевых научно-технических программ: проектов краевой целевой программы «Сейсмомониторинг и прогнозирование землетрясений на территории Краснодарского края на период 2000-2004 гг.» (Постановление Законодательного Собрания Краснодарского края от 24 мая 2000 г. № 532-П), краевой целевой программы «Прогнозирование, снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Краснодарском крае на 2003-2006 годы» (Постановление Законодательного Собрания Краснодарского края от 18 сентября 2002 г. № 1649-П); проектов федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственные контракты от 10 февраля 2006 г. №02.451.11.7042, от 8 мая 2007 г. №02.552.11.7013, от 25 июня 2007 г. №02.515.11.5048, от 15 августа 2008 г. №02.515.11.0005, от 19 июня 2008 г. №02.552.11.7049); проекта федеральной целевой программы
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (государственный контракт от 1 сентября 2010 г. № 16.740.11.0135);
Отдельные результаты получены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект 1.1259.2011, выполняемый в рамках государственного задания на оказание услуг (выполнение работ)).
Научные исследования были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований: грант РФФИ 11-08-96505-рюгц, выполняемый под руководством диссертанта; гранты с участием в качестве исполнителя: 03-01-96653-р2003юг_а, 03-01-96662-р2003юг_а, 06-01-96634-р_юг_а, 06-01-96803-р_юг_офи, 06-08-00671-а, 06-08-96635-р_юг_а, 07-01-12028-офи, 07-05-00858-а, 08-01-99013-р_офи, 09-01-96503-р_юг_а, 09-08-00171-а, 09-08-00294-а, 09-08-96522-р_юг_а, 11-08-96503-р_юг_ц, 12-01-0033 2-а; гранты Президента РФ по поддержке научных школ (проекты НШ-2107.2003.1, НШ-2298.2008.1, НШ-3765.2010.1).
Достоверность результатов
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечиваются использованием строгих математических методов и сравнением результатов, полученных автором, с уже известными, полученными другими методами. Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов на основе экспериментальных данных подтверждается заданной точностью измерения используемых приборов, расчетом погрешностей измерений с соблюдением критериев статистических испытаний и обеспечивается современными средствами и методиками проведения исследований.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на всероссийских конференциях грантодержателей РФФИ в 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 гг. (Краснодар), на семинарах отдела проблем математики и механики ЮНЦ РАН, Научно-исследовательского центра прогнозирования и предупреждения геоэкологических катастроф при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет», на заседаниях кафедры математического моделирования ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет».
На защиту выносятся:
1) теоретическое и экспериментальное обоснование
возможности возникновения медленных сейсмических волн в
блочных структурах;
-
результаты экспериментальных исследований характеристик сейсмических трасс с помощью комплексного метода активного вибросейсмического мониторинга;
-
результаты экспериментальных исследований, позволяющие определить типы сопряжения блоков, влияющие на распространение медленных сейсмических волн;
-
результаты экспериментальных исследований характеристик медленных сейсмических волн с использованием измерения наклона участков литосферных плит и оценки сейсмической трассы с точки зрения прогноза землетрясений.
