ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 10, с. 37-54
УДК 550.34+622.83
ДИЛАТАНСИЯ, ПЕРЕУПАКОВКА И ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
© 2004 г. С. В. Гольдин
Институт геофизики СО РАН, Новосибирский государственный университет
Поступила в редакцию 26.04.2004 г.
В основу статьи положена аналогия между поведением грунтов - при нормальных давлениях и блочных консолидированных сред - при больших касательных напряжений. Среди явлений, наблюдающихся при деформировании грунтов, важное значение имеют различные способы упрочнения материала (в частности, две модификации дилатансного упрочнения), разупрочнение при критических касательных напряжениях с переходом в устойчивое пластическое течение, обратимость переупаковок (дилатансии) в поле силы тяжести. С дилатансией связаны специфические формы запасания потенциальной энергии. Указанная аналогия позволила проринтерпретировать такие часто наблюдаемые при землетрясениях явления как затишье, реализация землетрясения за краем области затишья, гул и афтершоки. Само землетрясение состоит в разрушении одной плотной упаковки блоков и в образовании новой плотной упаковки, в процессе чего значительная часть энергии рассеивается в окружающем пространстве.
Ключевые слова: землетрясение, напряжения, деформации, дилатансия, упрочнение.
ВВЕДЕНИЕ
После классических работ М.А. Садовского [Садовский и др., 1982; Садовский, 1979], блочно-иерархическая структура земной коры воспринята научным сообществом, как одна из наиболее существенных особенностей ее строения. Но это восприятие часто имеет преимущественно статический характер. Фрагментация коры на блоки присутствует как некая статичная структура, на контактах которой происходят те или иные геодинамические явления. Между тем, как писал Садовский, "блоки смещаются друг относительно друга, происходит своеобразная их перегруппировка - формирование структуры, приспособленной для переработки поступающей энергии" [Садовский, 1999].
Механические движения, в которые вовлекается вещество коры, могут быть (в идеализированном виде) подразделены на четыре класса: 1) движение блоков как жестких тел; 2) волновые движения: сейсмические волны, нормальные моды в слоистых системах (например, изгибные волны в плитах и т.п.); 3) течение вещества: крип, квазипластическое течение, сейсмическое течение (в понимании Ю.В. Ризниченко [1965]); 4) переупаковка, в частности, дилатансия. Каждому конкретному виду механического движения среды может отвечать специфический масштабный уровень в блочной иерархии. По отношению к некоторому характерному размеру, связанному с изучаемым явлением (таким размером может быть, например, длина волны), специфический масштабный уровень может отражать микроструктуру, мезострук-туру или макроструктуру среды. Роль движений
первых трех классов достаточно хорошо осознана. Менее осознана роль движений четвертого класса, когда они происходят на мезо- и микроуровнях.
Под дилатансией понимается здесь как изменение объема сыпучей среды при ее сдвиговом нагружении (классическая дилатансия-переупа-ковка зерен, блоков), так и изменение объема консолидированных блоков среды вследствие массового трещинообразования или закрытия трещин при сдвиге (трещинная дилатансия). И в том и другом случаях итогом движения является изменение структуры блочной среды. Отрицательную дилатансию часто называют контрактацией. Статья посвящена тем геодинамическим (точнее, геомеханическим) аспектам феномена дилатансии и переупаковки, которые так или иначе могут быть связаны с процессом подготовки землетрясений.
Было бы несправедливым сказать, что фрагментация коры не учитывается в современных сейсмологических концепциях. Существует большое число теоретико-вычислительных моделей, позволяющих имитировать сейсмический процесс в блочно-разломных системах с разнообразными условиями на разломах (контактах блоков). Однако, если мы рассмотрим наиболее известные концепции подготовки и развития отдельно взятого крупного землетрясения, то наличие фрагментации материала коры далеко не всегда играет в них важную роль. В первую очередь это касается лавин-но-трещинной модели подготовки землетрясения [Мячкин и др., 1975], в общем-то правильно отражающей сам процесс массового трещиннообразо-
вания. Перефразируя известную фразу Лапласа, можно сказать, что авторы ЛНТ в гипотезе фрагментации коры на блоки не нуждались. Более того, "блочный аспект" реальной структуры вещества не участвует и в такой, пионерской для своего времени, концепции как кинетическая теория усталостного разрушения C.H. Журкова [1968]. Но теория Журкова, на самом деле, не касается развития "отдельного" землетрясения. И как статистическая теория, направленная на оценку среднего срока "жизни" нагружаемой среды, наверное, от этого особенно и не страдает. Проблема состоит в другом - влияет ли фрагментация среды на особенности протекания отдельно взятого землетрясения. В отличие от концепции С.Н. Журкова, развиваемая В.И. Кейлис-Боро-ком и его школой концепция прогноза землетрясений в рамках нелинейной динамики иерархических систем всецело базируется на рассмотрении блочно-иерархически построенной сейсмогенной зоны, как открытой диссипативной системы [Kei-lis-Borok, Soloviev (Eds), 2003]. Нельзя не видеть попыток учета реальных физических процессов, протекающих в среде. Однако многие конкретные особенности геомеханики блочных сред остаются за рамками и этой концепции.
Существенный шаг в направлении учета реальной структуры геологического материала сделан в дилатантно-диффузионной модели, в которой наблюдаемые бухтообразные вариации отношения VP/VS связываются с дилатансией материала и обусловленной ею (наряду с процессом фильтрации флюида) бухтообразной вариацией порового давления [Nur, 1972]. Безусловно, этот механизм играет важную роль в подготовке многих землетрясений, но он не претендует на объяснение всей гаммы наблюдаемых явлений. В самом начале 80-х гг. И.П. Добровольский опубликовал модель землетрясения, основанную на идее разрушения жестко сцепленных блоков земной коры [Добровольский, 1984]. Сама идея жесткого зацепления блоков, теряющих затем устойчивость, несомненно, привлекательна. Но остается неясным - почему эта структура разрушается. По прочтении книги Добровольского, создается впечатление, что разрушение возникает от напряжений, создаваемых жестким телом (включением) в более мягкой среде. Трудно все же согласиться с тем, что "мягкая" среда может разрушить более жесткое включение.
Как мне представляется, механика блочных сред может (и должна) играть значительно более активную роль в познании физических процессов, происходящих в очаге и его окрестности.
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ГРАНУЛИРОВАННЫХ СРЕД
В тех случаях, когда специфический масштабный уровень блочной иерархии отражает микроструктуру среды, последнюю предпочтительно называть гранулированной (или зернистой) средой. Гранулированные среды образуют широкий спектр различных геоматериалов, начиная от сыпучих грунтов и кончая такими консолидированными средами, как песчаник, алеврит и т.п. В сущности, и поликристаллические изверженные породы (гранит, гранодиорит и т.п.) также относятся к консолидированным гранулированным средам.
Главной особенностью сыпучей среды, конечно, является ее способность сыпаться и течь, при этом устойчивое течение сухой сыпучей среды (такой как зерно или сухой, не слежавшийся песок) удовлетворительно описывается моделями вязкой жидкости. Но грунт, в естественном залегании, скорее течет по законам вязкопластичес-кого или пластического течения с учетом куло-новского трения между частицами грунта [Друк-кер и др., 1975; Роу, 1975; Николаевский, 1975].
Однако нам понадобится более детальная характеристика сыпучей среды. Те особенности поведения сыпучей среды, которые представляют интерес с точки зрения геодинамики и сейсмологии, состоят в следующем:
1) в экспериментах на сжатие сыпучая среда ведет себя как твердоподобное тело со специфической диаграммой деформация-напряжение (то же самое имеет место в экспериментах на растяжение, если последнее не превосходит предварительного напряжения сжатия а);
2) в экспериментах на сдвиг поведение сыпучей среды сильно зависит от условий деформирования и содержания влаги. При нестесненном деформировании сухого (или хорошо дренированного) гранулированного материала наблюдается дилатансия (увеличение объема). При определенных условиях, на которых мы остановимся ниже, имеет место дилатансное упрочнение;
3) контактирующие зерна способны проскальзывать по закону Кулона, если тангенциальное усилие т на контакте превосходит порог а, к). Символ к здесь обозначает размер контакта и его механические свойства (отметим, что в тонкозернистом песке размер контакта может быть одного порядка с постоянной кристаллической решетки). Величина а, как правило, означает эффективное напряжение, определяемое как разница между напряжением в скелете и поровым давлением. В макрообъеме условия текучести описываются поверхностью Ф(т, а, к) = 0 в пространстве напряжений;
4) помимо способности к сопротивлению сдвиговым и сжимающим усилиям, контакт способен оказывать упругое сопротивление крутящему моменту m, относительно оси, проходящей через центр контакта.
Во всех случаях, когда предварительное давление с в сыпучей среде велико, а динамическая нагрузка, прилагаемая к сыпучей среде такова, что касательные усилия на контактах не превосходят порога F*( с, к), поведение сыпучей среды (за исключением способности переносить микроповороты) оказывается твердоподобным.
Итак, в общем случае, поведение гранулированной среды определяется силами сцепления, характеризующимися величиной F*( с, к) и силами трения на контактах. В свою очередь силы сцепления обязаны классическому механизму сухого трения, определяемому геологической предысторией материала. Имеется в виду возможность появления цемента на контактах и сращивание кристаллических решеток контактирующих зерен. Гранулированный материал, в котором силы сцепления достаточно велики, но их возникновение обязано, главным образом, механизму сухого трения, естественно назвать связными (слабо связными). Если же силы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.