Menu

Модели подготовки сильных землетрясений

Модели подготовки сильных землетрясений и их прогноз в рамках лабораторных представлений геологической среды

Вопрос о физике процессов подготовки сильных землетрясений всегда был в центре внимания. В 70-80 годы наблюдался всплеск работ в этом направлении. В этот период были разработаны модели подготовки сильных землетрясений, широко известных под названиями: модель дилатантно-диффузионная (ДД), модель лавинно-неустойчивого тре- щинообразования (ЛНТ) [Brace et al, 1966; Scholz et al. 1973; Мячкин и др., 1975]. Несколько позднее предложены модель консолидации среды [Добровольский, 1992] и модель неустойчивого скольжения по разлому [Brace and Byenlee, 1966].

В основе этих моделей лежат данные лабораторных исследований монолитных образцов. Теоретической основой их служили представления физики и механики разрушения материалов. Поэтому подготовку землетрясения связывали с долговременной эволюцией процессов трещинообразования на разных масштабных уровнях. Необходимое условие этого — рост напряжений со скоростью около 1 бара в год [Соболев, 1993].

В основе модели ДД лежит известный эффект увеличения объема горных материалов в процессе сдвиговой деформации — эффект дилатансии [Brace et al., 1966]. В модели рассматривается три стадии. Первая стадия — упругая: происходит рост упругих напряжений, увеличивается разность главных напряжений. Вторая стадия — дила- тантная: появляются трещины отрыва, объем породы увеличивается (дилатансия), в поры поступает вода, порода осушается, поровое давление падает, прочность возрастает. Третья стадия — диффузионная: осушение пород вызывает диффузию воды в зону подготовки очага, поровое давление увеличивается, прочность падает, процесс заканчивается магистральным разрывом. Однако при построении модели очага введен ряд дополнительных гипотез, не имеющих экспериментального обоснования. Так, фактически необходимо постулировать более быстрое образование (на второй стадии) дилатантной зоны по сравнению с заполнением водой из прилегающих зон вновь образованных трещин. При реальных скоростях тектонической деформации заметный эффект дилатансионного упрочнения маловероятен [Соболев, 1993]. Кроме того, в модели нельзя обосновать выполнение условий дилатансионного расширения в крупномасштабных структурах из-за неоднородного напряженного состояния среды. Модель не способна также объяснить краткосрочные предвестники.

В модели ЛНТ крупномасштабный разрыв связывают с развитием и взаимодействием большого числа трещин сдвига в гипоцентральной зоне [Соболев, 1993]. Этот процесс включает три стадии. Первая стадия - однородное растрескивание: происходит рост существующих трещин и образование новых, поля трещин взаимодействуют слабо. Вторая стадия — лавинное взаимодействие трещин, которое появляется при достижении критической плотности трещин, происходит их слияние и локализация в узкой зоне. Третья стадия — неустойчивая деформация в узкой зоне и магистральный разрыв. Модель переносит процессы подготовки разрушения лабораторных монолитных образцов на условия литосферы. Если в литосфере формируется за счет каких- либо процессов крупномасштабный "образец" (конгломерат отдельнос- тей), то по мере его нагружения могут развиваться описанные стадии эволюции трещин. Без учета влагонасыщенности модель не может объяснить наблюдаемые значительные (до 10%) колебания свойств среды (проводимость, отношение скоростей волн и др.) [Соболев, 1993].

Модели консолидации и неустойчивого скольжения учитывают одну из основных особенностей поведения реальной горной среды: постоянное деформирование среды по границам блоков и разломам, торможение их движений, связанных с механическими зацеплениями в граничных структурах. Причем появление механических зацеплений обуславливают действием сил тектонической природы.

В первой модели рассматривается дополнительное деформирование среды за счет механического зацепления двух или более блоков, которые образуют в дальнейшем зону консолидации. Со временем в этой зоне происходит накопление упругой энергии по аналогии с нагружением лабораторного образца. Восстановление деформирования блоков происходит после "магистрального разрыва" — сдвига. В рамках модели консолидации рассчитывались деформации в среде и обусловленные ими аномалии различных геофизических полей (уровень воды, наклоны, геомагнитное поле и др. [Добровольский, 1992]). Однако достоверность таких оценок невысока, так как среда в крупномасштабных структурах предполагалась упругой и однородной.

Во второй модели область механических зацеплений ограничена контактной зоной скольжения. Этот эффект известен из лабораторных работ, как явление "stick-slip", т.е. неустойчивая подвижка по контакту, сопровождающаяся частичным сбросом нагрузки. Но эта модель не может объяснить ни одной из описанных аномалий геофизических полей перед землетрясением.

Нами приведено описание наиболее известных моделей, которых придерживалось большинство исследователей в конце восьмидесятых годов прошлого века. Однако существуют десятки взглядов на процесс подготовки землетрясений, в той или иной мере использующих отдельные элементы изложенных моделей. Можно отметить модели В.И. Уломова [Уломов и Мавашев, 1967], Б.Т. Брэди [Brady, 1974], У.Д. Стюарта [Stuart, 1974].

В заключение представляет интерес изложить первые представления по подготовке землетрясений, выдвинутые Рейдом в 1910г. [Reid, 1910]. Взгляды Рейда отражали состояние науки того времени, в том числе в области теории прочности твердых тел. Тем не менее, Рейд предвосхитил ныне существующие общие взгляды [Соболев, 1993]. Рейд в сущности предполагал, что земная кора находится в непрерывном перемещении, а подготовка землетрясения начинается с возникновением определенного препятствия этому движению. Затем препятствие разрушается и происходит землетрясение.

Общее для всех перечисленных моделей то, что детали процесса подготовки землетрясений почти точно отражали процесс нагруже- ния и разрушения образцов в лабораторных условиях. Это придавало моделям физическую достоверность и убедительность, но не отвечало на многие вопросы.

Во-первых, состояние горной среды в реальных условиях и многообразные процессы в ней существенно отличаются от таковых в монолитных образцах в лабораторных условиях. Во-вторых, существенно отличаются сами процессы деформирования. В лабораторных условиях разрушается готовый образец, а природа должна "подготовить" образец и "машину" нагружения. Кроме того, часто перенос лабораторных результатов на геологическую среду оправдывают соображением о подобии разрушения на разных масштабных уровнях. Это было бы верно при совпадении свойств лабораторных образцов и горных пород и соответствующих условий. Однако сейсмологические наблюдения показывают, что сильные землетрясения протекают не так, как слабые [Запольский и др., 1974].

Развитые физические представления позволяли с разных позиций объяснить аномалии геофизических полей перед землетрясениями. Однако серьезных попыток (за исключением И.П. Добровольского [Добровольский, 1992]) провести количественные оценки для предвестников практически не было. С нашей точки зрения, это не делалось потому, что сразу необходимо было учитывать реальные свойства земной коры, что ставило непреодолимые препятствия перед авторами, модели которых не учитывали эти особенности. Все это порождало неопределенность в стратегии прогноза сильных землетрясений, хотя ее общая схема была предложена китайскими и японскими специалистами.

Изложим эту стратегию по Г.А. Соболеву [Соболев, 1993]. Последовательно должны решаться четыре задачи.

  1. Оценивается степень опасности сильного землетрясения в конкретных регионах на основе данных о геотектонических условиях, современных движений земной коры и исторической сейсмичности. Здесь большое значение придается периоду времени от последнего сильного землетрясения в регионе (учитывается сейсмический цикл, наличие сейсмической бреши и т.д.). Итог — долгосрочный прогноз на период несколько десятков лет и более.

  2. Анализируется пространственно-временное распределение среднесрочных предвестников (аномалий различных полей). На основе полученных главным образом эмпирических связей между параметрами предвестников и землетрясениями делается оценка места и магнитуды ожидаемого землетрясения. Период ожидания землетрясения определяется с точностью до первых лет или нескольких месяцев.

  3. Анализируются данные наблюдений за краткосрочными предвестниками. По количеству и площади распространения предвестников оценивается вероятность землетрясения, его место и магнитуда.

  4. Принимается решение о сейсмической тревоге. Используются экспертные оценки и формализованные критерии.

Стратегия дается в утвердительной форме: оценивается, анализируется, используется, находится. Физической основой всего этого ^ 44 & служат данные физики и механики разрушения монолитных образцов [Соболев, 1993]. Для иллюстрации этого обсуждаются стадии прогноза на условном графике накопления и сброса упругой энергии в зависимости от времени в определенном участке сейсмоактивной зоны, т.е., рассматривается период накопления упругой энергии вследствие тектонических движений и ее сброс при землетрясении. Период этого цикла относится к долгосрочному прогнозу. Далее, из опыта механики разрушения материалов в лабораторных условиях известно, что процессы трещинообразования начинаются при уровне напряжения около 50% от разрушающих. Появление различных аномалий в геологической среде относят к этому моменту. И если рост напряжений прекратится, то землетрясения не произойдет. Поэтому уже среднесрочные предвестники, как отмечает Г.А. Соболев, нельзя рассматривать как достоверные признаки землетрясения.

В рамках механики разрушения монолитных образцов краткосрочные предвестники приурочены к стадии механической неустойчивости пород, когда трещинообразование развивается самопроизвольно при уменьшении накопленной ранее энергии (результат лабораторных исследований). В этих условиях землетрясение становится неотвратимым. Но длительность этой стадии для реальных условий неизвестна.

По существу в этих физических представлениях отсутствуют критерии (характеристики тех или иных полей), отражающие различные состояния земной коры. Кроме того, эти представления противоречат известным данным об уровне снимаемых при землетрясении напряжений. Это величина порядка 100 бар, и она существенно меньше прочности пород или литостатического давления, т.е. землетрясения (даже сильные) являются всего лишь малым возмущением фонового поля упругих напряжений. Необходимо добавить, что плотность упругой энергии, снимаемой при землетрясениях, оценивается в 103-104 Дж/м3 [Садовский и др., 1987], что существенно ниже энергетической прочности материалов (10б-107Дж/м3). Это сопоставление еще раз подчеркивает несостоятельность чисто механических моделей, переносимых на условия земной коры.

Здесь мы видим уже свойства реальной геологической среды, а не лабораторного образца. Это давало основание для серьезной критики лабораторных моделей подготовки очага землетрясений. В начале 90- х годов были предложены две новые модели [Шаров,1992; Пономарев, 1990], но они не привлекли широкого внимания, хотя в них содержались вопросы, от которых геофизика не должна была отмахиваться. Несколько позднее были развиты флюидометаморфогенные модели сейсмотектогенеза [Киссин, 2006; Родкин, 2006; Ребецкий, 2006].

Так, В.И. Шаров считал, что попытка изучить и понять очаг землетрясения лишь по записям сейсмических волн не имеет перспективы. Он сравнивал эту ситуацию с попыткой разобраться в природе молнии по регистрации звуковых волн атмосферных гроз. Очаг тектонического землетрясения представлялся им как термодинамическая система, которая не только передает различные типы механических движений среды, но и сама производит эти движения. Геологическая среда рассматривалась в виде сильно неравновесной системы, в которой в определенный момент рост внутренней энергии очага превышает его энергетические потери. При этом, по мнению автора, развивается новый режим разрушения со скоростью, превышающей скорость упругих звуковых волн. В конечном итоге разрушение завершается взрывным процессом, имеющим химическую природу. Хотя в работе не раскрываются физические и химические аспекты формирования очага, тем не менее, она вызывает определенный интерес при рассмотрении природы самого акта крупномасштабного разрушения среды. Действительно, понимание механизма разрушения может способствовать и пониманию процессов его подготовки. Основанием для этих идей являлись известные сейсмологические данные регистрации групп очаговых волн. При анализе азимутальных годографов очаговых волн было показано [Горбунова, 1983] , что эти волны формируются последовательными разрывами с возрастающими во времени интенсивностями. Формирование нарастающих по интенсивности дискретных очаговых волн связывается с последовательной сменой режимов разрушения горных пород в очаге тектонического землетрясения. Сначала излучение осуществляется непосредственно упругим путем со скоростью, не превосходящей скорости упругих волн в среде. Это режим стационарного разрушения с производством минимальной энергии внутри зоны разрушения. Требование минимума производства энтропии в данном режиме реализуется здесь в минимально возможной локальной области концентрации энергии, а именно, в вершине развивающейся трещины, развивающейся в менее напряженной среде. Если процесс разрушения обрывается на этой стадии, то в разрезе земной коры формируются трещины и узкие зоны трещиноватости. Этой стадии разрушения соответствуют самые слабые импульсы продольной и поперечных волн, которые не используют для оценки энергетического класса основного события. Это лишь начальная стадия возможного крупномасштабного разрыва. Формирование же собственно крупномасштабного разрыва связывается с переходом системы в режим более интенсивного излучения, когда возрастающая скорость разрушения обеспечивает быстрый отток энергии из системы в форме ударной волны. При каких условиях возможен такой переход? Существенное значение имеет локальный уровень напряжений, со ^ 46 ^ здаваемый тектоническим движением блоков (имеется в виду уровень напряжений в граничных структурах и переход системы к разрушению взрывного типа). Эти условия, т.е. переход к разрушению взрывного типа, могут достигаться уже при литостатических давлениях 1.5 - 2.0 кбар [Ярославский, 1982]. Возрастание скорости разрушения достигается не столько за счет увеличения скорости распространения трещины, сколько переходом от одномерной к двух-трехмерной форме разрушения. В этом смысле динамика сейсмической активности в зоне разрушения аналогична цепной топохимической реакции, т.е. гетерогенному процессу, скорость которого лимитируется только размером пространства [Ениколапян, 1988; Беляев, 1987] . Режим детонации разрушения может поддерживаться твердотельной химической реакцией. Подчеркнем, что рассматриваемые механизмы могут оказывать существенное влияние на режим движений блочных структур.

В другой модели [Пономарев,1990] рассматривался теплогазодина- мический фактор в земной коре. Обсуждалось превращение тепла и потенциальной энергии флюида (преимущественно водяного пара) в работу. Очаг представлялся пористым котлом, заполненным надкритическим водяным паром при давлении больше критического. Накопление потенциальной энергии происходит при герметизации пористой системы за счет процессов минерализации. Автор оценивает плотность упругой энергии около 109 Дж/м3, что близко к теплоте плавления.

Перейдем к моделям сейсмогенеза, в основе которых рассматриваются флюидометаморфогенные процессы (модели И.Г.Киссина [Кисин, 2006, 2007] , М.В. Родкина [Родкин, 2006а, 2006б] и Ю.Л.Ребецкого). Рассмотрим эти модели в изложении Ю.Л. Ребецкого [Ребецкий, 2006, 2007] .

И.Г. Киссин полагает определяющее влияние флюида и реакции дегидратации горных пород на процесс подготовки очага сильного землетрясения. Реакция дегидратации приводит к увеличению общего объема продуктов, сопровождающееся увеличением трещинно-порового пространства и объема флюида. Повышение в одном из блоков порового давления, близкого к литостатическому, приводит к гидроразрывам и впрыскиванию высоконапорного флюида в разломную зону. Этот процесс является спусковым механизмом для возникновения сильного землетрясения.

В представлениях М.В. Родкина (ФМГ-модель) метаморфические реакции дегидратации, приводящие к твердотельным превращениям, сопровождаются изменением физических свойств пород, понижением их прочности и увеличением трещинно-порового пространства. Повышение порового давления в период превращений рассматривается как один из факторов, предваряющих разрушение среды. В этой мо ^ 47 ^ дели также предполагается, что область очага включает в себя мягкие включения, где произошли метаморфические реакции твердотельных превращений с образованием ультрамелкозернистых пород (милонитов), и жесткие включения, где эти реакции не произошли. Сброс энергии осуществляется при разрушении жесткого включения, дающего максимальный вклад в выделившуюся энергию, а наибольшие сдвиговые напряжения реализуются в области мягких включений.

Развитие этих представлений выполнено Ю.Л. Ребецким на основе анализа прочностных и деформационных характеристик трещиноватых и хрупких горных материалов, вытекающих из лабораторных экспериментов, и реконструкции полей напряжений в геологической среде. Образцы горных пород и геологическую среду рассматривают как кулоновскую среду, т.е. это хрупкая среда с внутренними границами, где учитывается также и поровое давление. Анализ данных реконструкции природных напряжений в сейсмоактивных регионах подтверждает положения, вытекающие из самых общих представлений о поведении трещиноватых кулоновских сред. Для кулоновской среды достижение критического состояния может быть достигнуто не только за счет повышения девиаторных напряжений, но и при понижении всестороннего давления. Вторым фактором, способствующим переходу к критическому состоянию, является повышение порового давления флюида, которое также приводит к снижению эффективного давления. Рассматриваются зоны появления флюида. В моделях ДД и И.Г. Киссина флюид появляется не в зонах будущего очага, а в соседних зонах. Именно в зоне рождения флюида его давление будет большим и именно там скорее произойдет уменьшение сил трения и будут достигнуты критические условия. В ФМГ-модели рассматривается рождение флюида непосредственно в зоне очага. В тоже время известно, что процессы дегидратации, обеспечивающие приток флюида в поровое пространство, имеют низкую скорость из-за эндотермического характера процесса, поэтому ФМГ модель может объяснять лишь локализацию деформации в области метаморфизма и медленную деформацию. Поэтому автором были рассмотрены факторы, которые могут определять локальные специфические условия ускорения метаморфических реакций вплоть до взрывообразного. В связи с этим рассматривается роль автодиспергации горных пород в областях локализации сдвиговых деформаций.

Уменьшение размеров зерен первичной фазы метаморфизма и увеличение плотности дефектов в кристаллических структурах этих областей связано с дилатансионным разрыхлением, образованием и развитием микротрещин сдвига и механическим разрушением зерен. Нельзя исключить и того, что возможно также самопроизвольное диспергирование за счет автохтонного распада кристаллических структур на тонкодисперсные кристаллические и полуаморфные частицы. Эти процессы резко ускоряются в присутствии жидкой фазы. При уменьшении размеров частиц до миллиметров они приобретают свойства химических соединений, и скорость диффузии резко возрастает. Это способствует более быстрому поступлению вещества в зону метаморфизма. При одновременном действии девиаторных напряжений реакция дегидратации может протекать взрывным образом.

На основе этого анализа делается вывод, что в шовных зонах разломов может развиваться структурно-динамическая неоднородность, обусловленная разной стадией деформационного преобразования вещества. Здесь выделяют области реликтового деформационно-минерального состояния, имеющими невысокую степень дилатансион- ной активности. Вблизи и внутри этих областей формируются узкие участки, испытавшие на исследованной стадии процесса локализацию сдвиговых деформаций и обусловленную ими высокую степень ди- латансионного разрыхления. Рассматриваются три типа состояний. К первому типу относятся области, где степень диспергированности повышенный, размер зерен меньше обычного, и при относительно высокой скорости дилатансии процесс дегидратации еще развит. Это упрочненные области - жесткие включения, т.к. здесь пониженные значения кулонового напряжения при относительно высоком уровне напряжений и пониженным уровнем флюидного давления. Второй тип состояния характерен областям с высокой степенью диспергирован- ности среды и низкой скоростью дилатансии. Здесь интенсивно идет реакция дегидлатации, обеспечивающая высокое флюидное давление. Эти области - мягкие включения. С повышенными значениями куло- нового напряжения. Здесь могут происходить интенсивные сдвиговые деформации (крип). Третий тип состояний - области монолитизации, где происходит увеличение размеров зерен за счет спекания (заметим, что для монолитизации, т.е. рекристаллизации, необходимо указывать температуру, давление и время процесса).

На вопрос, как происходит сейсмический разрыв, дается следующий ответ: "В процессе осуществления сверхбыстрой реакции дегидратации в одном из жестких включений начальный кинетический импульс, порожденный пластическими и квазипластическими (за счет микроразрывов) деформациями, может привести к хрупкому разрушению близлежащей упрочненной и энергетически насыщенной зоны. Если этот процесс хрупкого разрушения будет подхвачен и в соседних упрочненных областях, то он может привести к возникновению протяженного сейсмического разрыва. Формирование такого протяженного разрыва через области с разной эффективностью энергетической разгрузки - мягких и жестких включений - в определенном смысле подобен процессу неустойчивого скольжения в модели очага (stick-slip). Другим вариантом продолжения процесса разрушения одного из жестких включений может быть прекращение развития разрыва при его внедрении в прочную или, наоборот, менее прочную, но более пластичную (мягкое включение) область большого объема. Неустойчивость развития процесса разрушения, обусловленная пространственной неоднородностью разломных зон, определяет эти участки как зоны метастабильного состояния. Заметим, что многие факторы, используемые в качестве физических предвестников землетрясений (аномалии электромагнитных полей, изменение электрического потенциала и электропроводности), в обеих ситуациях развития процесса разрушения могут проявляться одинаковым образом".

В последних моделях подготовки разрушения земной коры также видна заметная составляющая лабораторных представлений, хотя рассмотренные физико-химические процессу могут играть заметную роль в фоновом сейсмотектоногенезе. В связи с этим приведем целый ряд данных реального мониторинга геологической среды, показывающий недостаточность обобщения лабораторных представлений на условия и процессы в литосфере и необходимость учета новейших данных мониторинга геологической среды.

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:2447 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:5014 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:2404 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Наши рекомендации

"Интернет-магазин INStyle63.ru"

Вечерние платья вечерние платья "Интернет-магазин INStyle63.ru".

Реклама

Еще материалы

Факторы, влияющие на силу прихвата моноо…

Большие трудности могут возникать при извлечении из грунта моноопоры после завершения бурения скважины на море. Усилие (кН), необходимое для извлечения труб, зависит в основном от диаметра и длины погруженных в...

30-01-2011 Просмотров:3457 Морские буровые моноопорные основания

Главные и дополнительные складки

Деление складок на главные и дополнительные указывает только на их соподчинённость, а не на размер. Тем не менее, главными складками считаются самые крупные структуры изучаемой площади. Их масштаб может быть...

01-10-2010 Просмотров:3806 Геологическое картирование, структурная геология

Внутренняя разбивочная сеть здания.

Внутренняя разбивочная сеть здания обеспечивает совпадение по вертикали одноименных точек и осей здания на различных его горизонтах. Эта сеть представляет собой совокупность геодезических пунктов, расположенных на исходном и монтажных горизонтах...

13-08-2010 Просмотров:7580 Инженерная геодезия. Часть 2.