Menu

Проблемы лабораторного моделирования

Моделирование процессов в земной коре в связи с землетрясениями всегда было сопряжено со значительными трудностями. Однако подобие разрушения в земной коре и монолитном лабораторном образце признавалось практически без обсуждений, что служило основанием переносить представления процессов подготовки разрушения лабораторных образцов на условия земной коры. То есть, фактически физическое и физико-химическое состояние образцов и геологической среды (земной коры) принималось почти идентичным или очень похожим. Так, например, рассматривался для образцов и земной коры концентрационный критерий Журкова, хотя в лабораторных условиях нагрузка и температура поддерживаются постоянными, а у земной коры рассматривается или контролируется объем с различными ли- тостатическим давлением и температурой. Есть и другие трудности в осуществлении моделирования, обусловленные тем, что отсутствовали представления о процессах подготовки сильных землетрясений, адекватные реальным свойствам земной коры. Не рассматривались ведущие процессы, контролирующие, прежде всего, неустойчивость литосферы, проявляющуюся в широком диапазоне периодов, от часов-суток до многих лет, на различном масштабном уровне. Процессы, реализующие такую неустойчивость различных параметров, происходят в среде с постоянными или почти неизменными градиентами литостатического давления и температуры. При этом отсутствует синхронность изменения различных параметров в одной зоне мониторинга, и вариации параметров протекают непрерывно.

Реакция литосферы на действие геодинамических процессов удивительна. Эта реакция проявляется наиболее сильно на границах блоков и разломах в виде крипа и сейсмических событий, в том числе, сильнейших, что подчеркивает особую роль граничных слоев в неустойчивости среды. Результатом практически всех исследований в области физики землетрясений и строения литосферы являются данные, которые нельзя объяснить на основе механических моделей континуальной среды. Именно поэтому был поставлен вопрос о разработке новой модели геологической среды.

Напомним, что основы новой модели геологической среды (имеется в виду литосфера) были заложены Садовским [Садовский и др., 1987]. Геологическая среда состоит из системы блоков различного размера, которые взаимодействуют друг с другом и обмениваются энергией. При долговременном действии сейсмичности, в том числе сильнейшей, свойства геологической среды не меняются, и среда сохраняет способность к воспроизводству очагов сильных землетрясений в одной и той же локальной зоне. Таким образом, мы имеем дело со средой, обладающей свойствами открытых и диссипативных систем.

Приведем дополнительно ряд факторов. На глубинах больших нескольких километров под действием литостатического давления развиваются сдвиговые напряжения, близкие к пределу упругости. Это способствует развитию дилатансии и процессов коррозионного трещинообразования. Практически выше границы Мохоровичича среда переходит в трещиноватое состояние и долговременно поддерживается в этом состоянии [Николаевский, 1982]. Еще один пример. Бухтообразные возмущения ряда геофизических полей, например, отношения скоростей продольных и поперечных волн или проводимости среды, сохраняются и после сильных землетрясений. Землетрясения не влияют на "возмущения" в среде, что также не укладывается в рамки механических моделей подготовки землетрясений.

Разномасштабность, несинхронность и широта спектра изменений различных параметров среды (твердая фаза и флюид) исключают преимущественное действие тектонических деформаций и метаморфизма. Наблюдаемые разномасштабные вариации объемно-напряженного состояния (ОНС) среды могут быть связаны с первичным изменением различных объемов твердой фазы, а не первичным движением флюида. Это означает, что на твердую фазу, находящуюся в критическом состоянии или близким к нему, действуют дополнительные силы, увеличивающие или уменьшающие потенциальную энергию упругого смещения атомов из их "устойчивого" положения, создаваемого литос- татическим нагружением в кристаллических или аморфизированных структурах.

При постоянных градиентах литостатического давления и температуры в литосфере такие силы могут быть связаны с взаимодействием восходящих потоков наиболее подвижной газовой компоненты (водород и гелий) с твердой фазой. Именно восходящие потоки легких газов могут быть основным переменным фактором, контролирующим текущую неустойчивость литосферы и стимулирующим обмен энергией между отдельными элементами среды в вертикальной плоскости.

Практически все материалы, включая горные, проницаемы для водорода и гелия. Их проницаемость обусловлена растворимостью и диффузионной подвижностью. Механизмы диффузии легких газов подчиняются тем же законам, что и механизмы диффузии примесей
в растворах внедрения, т.е. зависят от размеров атомов, параметров, строения и плотности кристаллической решетки.

При имплантации водорода и гелия в различные материалы, например, [Томсон, 1971; Комаров, 1990] происходят структурные перестройки с изменением объема, аморфизация структуры, формирование газовой пористости (гидридные соединения здесь не рассматриваются). Аналогичные эффекты наблюдаются на ряде природных минералах со значительным содержанием изотопов урана и тория. Это метамикт- ные минералы: силикаты и сложные окислы циркония, титана, урана и др. Такие минералы длительное время сохраняют высокий уровень аморфизации, связанный с диффузией гелия в кристаллической структуре. Аморфизация фиксировалась по низкой плотности и размытию рефлексов на малых углах отражения. При этом степень аморфизации зависела от возраста минералов, которые, необходимо отметить, находились длительное время при температуре, вряд ли превышающей 50 °С. Температурная обработка приводила к быстрому восстановлению структуры [Морозова и Ашкенази, 1971]. Долговременно сохраняемая аморфизация структуры таких минералов обусловлена поддерживаемой радиоактивностью зоны за счет распада урана и тория, продуктом которого являются а-частицы.

[image]

Рис. 4.1 Лауэграммы кристаллов оливина: а - исходные (в том числе после высокотемпературной дегазации), б - после термообработки в среде гелия (или водорода).

Большинство минералов и материалов горных пород, доступных для исследований, расположены в верхнем слое земной коры (до 1-2км). Они находятся в относительно равновесном состоянии. Так, например, кристаллы имеют правильную, не искаженную, структуру. В качестве иллюстрации приведем лауэграмму кристалла оливина (рис.4.1а). С увеличением глубины литостатическое давление и температура увеличиваются. Однако их действие на структуры различно: литостатическое давление стремится сжать кристаллические структуры, а температурный фактор приводит, наоборот, к расширению кристаллической фазы. Причем направления максимальной сжимаемости обычно близки к ориентировке максимального теплового расширения, так что одновременное изменение температуры и давления в одном и том же направлении приводит к частичной компенсации их воздействий [Справочник.., 1969]. Оценки степени взаимной компенсации теплового расширения и барического сжатия различных минералов, присущих земной коре, показывают, что до границы Мохоровичича реальное давление компенсирует термические деформации примерно на 0.5 величины. То есть, материалы, опущенные с поверхности на глубину, например, в 40 км увеличиваются в объеме на величину, равную половине их теплового расширения [Филатов, 1987]. С глубиной градиент температуры существенно уменьшается, но сохраняется слабое увеличение градиента давления. Из оценок следует, что в кровле верхней мантии достигается компенсация теплового расширения барическим сжатием пород, и на больших глубинах породы подвергаются воздействию возрастающего давления и поэтому сжимаются [Филатов, 1987]. Реальная ситуация несколько иная. Полагают, что за счет преобладающих фазовых превращений происходит преимущественное сжатие пород, о чем свидетельствуют данные по изменению скоростей прохождения упругих волн. Однако такая картина характерна не для всех зон. До границы Мохоровичича увеличение скоростей прохождения упругих волн не является монотонным. Существуют области с постоянными скоростями, оконтуренные наклонными границами или расположенными на различных глубинах [Каракин и др., 2003]. Это указывает на протекание дополнительных процессов, связанных, прежде всего, с взаимодействием флюидов с твердой фазой.

В качестве иллюстрации роли процессов коррозионного трещинооб- разования в таблице 4.1 приведены данные по прочности горных материалов на сжатие в среде различных газов [Чарльз, 1963]. Пониженная прочность при 240°С в насыщенном водяном паре является следствием одновременного действия нагрузки и коррозионной атмосферы.

Неожиданная трещиноватость среды и повышенная насыщенность ее флюидом обнаружены при сверхглубоком бурении. При сверхглубоком бурении показано, что данные геофизического мониторинга не дают однозначной интерпретации состояния и состава обнаруженных границ. Так, граница на глубине около 7 км в зоне Кольской сверхглубокой скважины, интерпретируемая как граница перехода гранит-базальт, оказалась зоной повышенной трещиноватости. Природа процессов граничной коррозии не вызывает дискуссий, однако эти процессы не могут объяснить неустойчивость и быстрые вариации параметров среды. Поэтому основным действующим фактором, контролирующим неустойчивость среды, остается взаимодействие легких газов с твердой фазой.

Таблица 4.1

Прочность на сжатие различных горных материалов в среде различных газов

Материал

Температура испытания, °С

Среда

Разрушающие напряжения (среднее значение), кг/мм2

Гранит

25 240 240

насыщенный водяной пар

м

сухой азот

16.0 4.2 14.0

Альбит

25 240

насыщенный водяной пар

м

17.6 12.0

 

25

м

27

Сподумен

240 25

сухой азот

м

40 58

 

240

насыщенный водяной пар

22

Роговая обманка

25 240

м м

22 10

 

25

м

36

Бразильский кварц

25 25 240

сухой азот насыщенный водяной пар

м

58 36 25

 

240

сухой азот

45

 

Выше границы Мохоровичича легкие газы растворены во флюиде и твердой фазе. Их восходящий поток обусловлен градиентами напряжений и температуры и происходит по каналу твердое тело-флюид-твердое тело-флюид. Ниже границы Мохоровичича поток легких газов может осуществляться только через твердую фазу за счет диффузии. Во флюиде растворены, кроме Не и Н2, различные газы, включая молекулы ОН, СН3, СН4... Адсорбция и диссоциация этих молекул на поверхности трещин может приводить к дополнительной концентрации водорода, проникающего в твердую фазу.

За счет проникновения и диффузии водорода и гелия в кристаллических структурах создается деформация, причем аналогичная ситуация развивается и в горных материалах [Гуфельд и др., 1993]. При этом изменяются многие свойства материалов, включая физико-механические, однако материалы сохраняют свои генетические особенности. Структурные изменения за счет диффузии легких газов в материалах, с элементами которых они в структуре не взаимодействуют химически, не требуют критических значений Р-Т параметров (в отличие от фазовых переходов), могут протекать в широком диапазоне температур, в том числе нормальных. При выходе газов из кристаллических структур или их коагуляции внутри структур в порах происходит восстановление параметров структур, т.е. возвращение к "начальному" состоянию.

С учетом выше изложенного становится ясным, что в лабораторных условиях может быть осуществлено моделирование неустойчивости горных материалов при диффузии в них легких газов. Очевидным является то, что неустойчивость горных материалов будет обусловлена параметрами кристаллической структуры при соответствующих Р-Т условиях. Природа процессов взаимодействия легких газов с материалами в мантии требует отдельного рассмотрения.

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:5370 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:8483 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:5230 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Принцип формообразования вантовых покрыт…

Принцип формообразования вантовых покрытий с ортогональной структурой сети на гиперболическом параболоиде   Рис. 1.13. Байтовое покрытие, состоящее из четырех гиперболических параболоидов. Одной из наиболее распространенных поверхностей вантовых покрытий является поверхность гиперболического...

20-09-2011 Просмотров:9243 Вантовые покрытия

Генетические типы и размеры будинаж-стру…

Выявлено четыре генетических типа будинаж-структур, образующиеся: 1) при гипергенезе (диагенетические, оползневые, ледниковые, морские, озёрные и речные); 2) при тектогенезе осадочных толщ (соскладчатый и приразрывный); 3) при метаморфизме (региональном, регрессивном, ультраметаморфизме)...

14-10-2010 Просмотров:5648 Геологическое картирование, структурная геология

Средства разрушения массивов и конструкц…

Для разрушения материалов разбираемых строительных конструкций широко применяются или находятся в стадии разработки и испытания средства разрушения, которые можно классифицировать по виду энергии, воздействующей...

31-07-2009 Просмотров:19479 Реконструкция промышленных предприятий.