ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 6, с. 108-123
УДК 551.24
ГЛУБИННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
ЗОН ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СДВИГА
© 2014 г. Ю. Л. Ребецкий, А. В. Михайлова
Институт физики Земли РАН им. О.Ю. Шмидта, г. Москва e-mail: reb@ifz.ru Поступила в редакцию 05.08.2013 г.
Рассматривается проблема формирования структур хрупкого разрушения в слое пород над активным разломом кристаллического фундамента, испытывающим сдвиг по простиранию. Данная проблема исследуется с позиции эволюции нагружения, когда вслед за стадией чистого гравитационного напряженного состояния в горном массиве формируется дополнительное деформационное состояние однородного горизонтального сдвига как слоя, так и фундамента, а затем и неоднородного по глубине сдвига, вызываемого активизацией глубинного разлома. Для исследуемого объекта необратимые разрывные деформации микро- и макроскопического уровней возникают уже на начальной стадии нагружения под действием гравитационного напряженного состояния. Их развитие на мегаскопическом уровне продолжается в ходе квазиоднородного по глубине и латерали горизонтального сдвигания. Окончательное формирование структурного ансамбля трещин происходит после длительного этапа смещения блоков кристаллического фундамента — стадии локализованного сдвигания. Теоретический анализ эволюции напряженного состояния и морфологии структур разрушения показал наличие большого числа трещин со сбросовой компонентой смещения в срединной по глубине части массива, формирующихся на стадиях однородного и локализованного горизонтального сдвигания. Разрывы со сдвиговой компонентой смещения формируются преимущественно в верхней и близ осевой глубинной части разреза.
DOI: 10.7868/S0002333714060064
ВВЕДЕНИЕ
Ю.Д. Буланже, поддерживая и развивая методы измерений движений поверхности, с большим вниманием относился и к исследованиям, связанным с изучением напряженно-деформированного состояния земной коры. Понимание взаимосвязи этих двух физических явлений и необходимости интерпретации движений поверхности коры через изучение внутрикоровых напряжений играло определяющую роль в том, что в середине 60-х годов прошлого века лаборатория тектонофи-зики перешла в отдел Ю.Д. Буланже. Начиная со второй половины 70-х годов в лаборатории тек-тонофизики был поставлен и решен ряд задач механики, связанных с исследованием напряженного состояние покровного чехла земной коры в зонах над активными разломами, перемещения бортов которых формируют характерные движения поверхности. Эти исследования выполнялись под руководством крупного советского механика А.С. Григорьева, приглашенного в 1964 г. в лабораторию тектонофизики ее создателем М.В. Гзовским. В этот период времени был поставлен и решен ряд важнейших задач, направленных на изучение напряженного состояния коры в зонах разломов типа взбросов, сбросов и сдвигов по простиранию [Поля напряжений ..., 1987].
В настоящей работе предлагаются к рассмотрению новые результаты исследований напряженного состояния участков коры в окрестности разлома кристаллического фундамента, испытывающего сдвиг по простиранию. Эта работа продолжает более ранние наши исследования [Ребецкий, 1987; 1988; Ог1§ойеу й а1., 1988; Григорьев и др., 1989], выполненные в период научного руководства Ю.Д. Буланже. Новым элементом этой работы является анализ морфологии структур разрушения, прогноз которых выполнен с учетом эволюции нагружения природных объектов. В данной работе получили дальнейшее развитие идеи о важной роли гравитационного напряженного состояния [Ребецкий, 2008; 2009] в формировании разномасштабных разрывных структур земной коры.
Возвращение к проблеме механизма формирования структур разрушения в зонах горизонтального сдвигания связано с потребностями практической геологии, горного дела и сейсмологии. Инициатива новых исследований зон горизонтального сдвигания принадлежит И.Н. Гогонен-кову и А.И. Тимурзиеву (Центральная геофизическая экспедиция), обратившим внимание на ряд важных закономерностей, устанавливаемых по результатам ЗЭ-сейсмики в нефтегазоносных районах Западной Сибири. Полученные в самое
Рис. 1. Схема структур деформирования и морфологии трещин, формирующихся в зоне сдвига по работам С. Стоянова и О.Б. Гинтова. Дается ориентация главных осей напряжений (здесь Ст1 — ось максимального сжатия), трещин сдвига в виде R- и R,-сколов, трещин отрыва Т, трещин сдвига в виде P- и Х-сколов, ориентация куполов складок F. Штрих-пунктир — ось сдвигания.
последнее время геофизические и сейсмологические данные [Гогоненков и др., 2007] о морфологии структур разрушения в глубине зон горизонтального сдвигания не могут быть объяснены в рамках существующих тектонофизических представлений, следующих из результатов физических экспериментов [Стоянов, 1977; Борняков, 1988; Бокун, 1991; 2009; Семинский, 2003; Гин-тов, 2005] и обобщений геологических наблюдения по данным с поверхности подобных зон [Шерман и др., 1991]. Новые данные 3Э-сей-смики указывают на сложную, изменяющуюся с глубиной морфологию (наклон и простирание) хрупких разрывов, в которой, с одной стороны, проявляется кулисообразность их расположения, подобная ^-сдвигам в экспериментах [Riedel, 1929; Cloos, 1955], а с другой, для них наблюдается несвойственная экспериментам сбросовая компонента смещения бортов разрывов [Ребецкий и др., 2008; 2009; Ребецкий, Михайлова, 2011].
О ПРОБЛЕМАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ОБЛАСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СДВИГА
Зонами сдвига в геологии определяют структуры, в которых на поверхности наблюдается сдвигание в горизонтальной плоскости, реализуемое вдоль простирания крупного разлома или за счет систем кулисно расположенных разрывов. Зоны сдвигания широко представлены в тектонике [Гзовский, 1975; Keller et al., 1982; Harris, Cobbold, 1984; Hancock, 1985; Шерман и др., 1991; Семинский, 2003; и др.].
Наши представления о закономерностях деформирования и разрушения для этих структур во многом сформированы результатами физических экспериментов Г. Клооса, В. Риделя, Э. Клооса, Д. Миида, Дж. Чаленко, М.В. Гзовского, С. Стоянова, В.Д. Парфенова, А.Н. Бокуна, С.А. Борня-кова, А.В. Михайловой, К.Ж. Семинского и др., выполнявших моделирование на влажных глинах и песке. В этих экспериментах показано, что на поверхности моделей образуются системы кули-
сообразных трещин сдвига и R'-сдвиги), трещины отрыва и эшелоны складок. Установлена зависимость ориентации этих структур от того, в какой обстановке (дополнительное сжатие или растяжение) осуществляется сдвигание. Обобщения результатов моделирования и наблюдаемых природных структур разрушения, выполненные в работах [Стоянов, 1977; Шерман, 1977; Напсок, 1985; и мн. др.], представлено на рис. 1. Все эти структуры получены по наблюдениям за поверхностью моделей, и обычно предполагается, что онираспространяются на всю глубину модели.
О выполнении условия подобия в физическом эксперименте
В работе [Ребецкий, Михайлова, 2011] было показано, что при физическом моделировании на влажных глинах и песке не выполняются условия подобия, когда эксперимент ориентирован на изучение закономерности образования хрупких трещин. Это связано с несколькими факторами.
Во-первых, с тем, что в подобных экспериментах не выдерживается соотношение между уровнем прочности хрупкого разрушения и литоста-тическим давлением в природном и модельном объекте. Предел хрупкой прочности пород оса-
прир /
дочного чехла т с учетом сил сухого (кулонов-ского) трения и влияния флюидного давления можно оценить величиной 5—20 МПа, для глин
предел текучести тмод составляет 0.5—2 КПа, что дает значение коэффициента подобия между модельным и природным объектом по напряжениям
Ст ~ 10-4. Подобное его значение определяет значение коэффициента подобия по ускорению силы тяжести С ~ 10 (Ст = СгСрС£, где Ср ~ 1 — коэффициент подобия по плотности, а Сь = 10-5 — по геометрии). Отсюда следует, что в экспериментах на глинах, выполняющихся в обычных комнатных условиях, на один порядок занижается вклад в напряженное состояние массовых сил. Для правильного учета вклада ГНС требуется либо применение
Рис. 2. Схема задачи в эволюции нагружения: (а) — стадия формирования гравитационного упруго-пластического состояния; (б) — стадия совместного однородного простого горизонтального сдвига фундамента и чехла в условиях сжатия или растяжения (стрелки в торцах модели); (в) — стадия локализации горизонтального сдвига в слое после относительного смещения блоков фундамента (стрелки показывают направления смещения блоков). Снизу для каждой стадии показано изменение формы основания, штрих-пунктирная линия — ось сдвигания, сплошная линия — форма основания до деформирования, пунктирная — после деформирования. Пояснения в тексте.
центрифугирования модели, либо увеличение размеров модели на порядок до Сь = 10-4.
Во-вторых, в моделях не выполняется условие подобия по коэффициенту Пуассона, что влияет, прежде всего, на девиаторную составляющую гравитационного напряженного состояния. В природных объектах этот коэффициент обычно имеет значение 0.15—0.35, а, например, во влажных глинах — 0.42—0.47. На этот факт обращал внимание выдающийся советский механик, работавший в 50-60-х годах в ИФЗ РАН Г.И. Гуревич [1959].
Представление о том, что в породах коры гравитационное напряженное состояние не имеет девиаторной части, неверно, что было показано в работе [Динник, 1926], об этом также говорилось в работах [Джагер, 1975; Шерман, 1977; Ребец-кий, 2008; 2009; и др.]. Именно отличие этого коэффициента для природного массива от значения 0.5 и приводит к формированию девиаторной части гравитационного напряженного состояния (ГНС) и влияет на морфологию формирующихся структур разрушения.
Особенность постановки задачи математического моделирования
Главной задачей в настоящей работе является учет эволюции нагружения горного массива в зоне горизонтального сдвигания. Модель объекта исследований представляет собой слой постоянной мощности, лежащий на полупространстве в виде двух полубесконечных блоков, имеющих
между собой плоскую границу контакта (рис. 2). Будем считать контакт слоя с блоками абсолю
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.