УДК 550.334
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ГЕОМЕХАНИКИ РАЗЛОМОВ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ КОРЫ
© 2014 г. Г. Г. Кочарян1, 2, А. А. Остапчук1, В. К. Марков1, Д. В. Павлов1
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва 2Московский физико-технический институт (ГУ), г. Москва E-mail: gevorgkidg@mail.ru, ostap165@gmail.com Поступила в редакцию 20.05.2013 г.
В статье приведены результаты лабораторных экспериментов, направленных на исследование закономерностей формирования различных режимов скольжения по границам раздела массива горных пород — асейсмического крипа, стик-слипа, периодических подвижек с малой скоростью. Показано, что способ реализации накопленной упругой энергии определяется не столько прочностными макрохарактеристиками заполнителя, сколько его структурой на мезоуровне. Эволюция силовых цепочек, которые образуются и разрушаются в процессе сдвига по трещине, их протяженность и количество полностью определяют закономерности деформирования. В природе роль таких несущих элементов могут выполнять, например, "контактные пятна", определяющие закономерности концентрации напряжений в окрестности границы между блоками. Рассматривается эффект воздействия низкоамплитудных колебаний на напряженные нарушения сплошности. Показано, что в зависимости от режима деформирования, вибрационное воздействие может как уменьшить, так и увеличить амплитуду отдельных событий и долю энергии, реализуемой динамически. В заключительной части статьи обсуждается возможность использования сдвиговой жесткости разломной зоны в качестве геомеханического параметра, контролирующего деформационный режим.
DOI: 10.7868/S0002333714030028
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что исследованиям разломных зон посвящено, возможно, наибольшее количество публикаций в науках о Земле, задача поиска детального физического понимания механики деформирования разломных зон продолжает быть приоритетной проблемой сейсмологии и тектонофизики. Так, на первом месте, в сформулированных в докладе рабочей группы американских сейсмологов Национальному научному фонду США десяти основных задачах сейсмологии на ближайшие 10—20 лет, стоит "большой вызов № 1": "Как скользят разломы?" [Lay, 2009].
За последние два десятилетия произошло резкое увеличение количества поступающей геолого-геофизической информации. Глубинное бурение, проводимое в континентальной и океанической коре [Brodsky et al., 2009; Zoback et al., 2010; Wallace et al., 2012], выполнение тщательных обследований участков разломов, поднятых с сей-смогенных глубин [Sibson, 2003; Chester, Chester, 1998; Shipton et al., 2006], использование лидар-ных систем для изучения топографии поверхностей [Sagy, Brodsky, 2009] привело к существенному уточнению сведений о строении разломных зон. Новые данные сейсмологических наблюдений обнаружили высокую степень локализации
очагов слабой сейсмичности внутри разломных зон [Кочарян и др., 2010].
Развитие методов GPS наблюдений и создание в некоторых регионах плотных сетей широкополосных сейсмометров позволило выявить различные режимы деформирования, посредством которых реализуется потенциальная энергия, накопленная в земной коре [Peng, Gomberg, 2010]. Долгое время предполагалось, что накопившиеся избыточные напряжения в тектонически активных регионах снимаются либо посредством землетрясений при "мгновенном" срыве заблокированных участков разломов, либо через непрерывное асейсмическое скольжение по разломам. Однако оказалось, что в ряде случаев скорость скольжения может не достигать значений характерных для "настоящих" землетрясений. При этом излучаются низкоамплитудные, низкочастотные, сейсмические волны [Kanamori, Hauksson, 1992]. Иногда скорость подвижки по разлому оказывается настолько низкой, что сейсмическое излучение не регистрируется. Тем не менее, скорость скольжения во время этих "тихих" землетрясений на много порядков превышает обычную скорость крипа, составляющую несколько сантиметров в год [Linde et al., 1996]. В настоящее время принята следующая классификация сейсмических событий [Peng, Gomberg, 2010]. Первая группа — "нормальные" землетрясения, параметры которых, в
51
4*
целом, соответствуют существующим представлениям об излучении при образовании динамических разрывов. Вторая группа, так называемые, низкочастотные или медленные землетрясения (Low Frequency Earthquake, slow earthquake) — события, для которых скорость подвижки значительно (до 10 раз) ниже, чем для "нормальных" землетрясений, а длительность подвижки для события с тем же сейсмическим моментом примерно на порядок выше [Kanamori, Hauksson, 1992]. Третья группа — очень низкочастотные землетрясения (Very Low Frequency Earthquake, VLF), наблюдавшиеся в Японии, Канаде, Центральной Калифорнии, Meксике и др., имеют длительность в очаге десятки секунд [Ito et al., 2009; Gao et al., 2012]
Условия возникновения и эволюции разных режимов деформирования разломных зон пока изучены слабо. Одной из ключевых здесь является проблема непонимания того, что именно контролирует различные типы скольжения разломов (стабильное скольжение, динамические срывы, медленные события и т.д.). Неясно, также, какие макроскопические параметры разломных зон или какие их характеристики на микро- и мезо- уровне являются ответственными за реализацию того или иного режима. Следует понять, является ли режим скольжения характерным для некоторого участка разлома или он определяется факторами, инициирующими деформационный процесс — вариациями напряженного состояния, порового давления, сейсмическими волнами от соседних событий и т.д. Исследование этих вопросов является задачей особого раздела геомеханики — геомеханики разломов.
Геомеханика, по сравнению с механикой геоматериалов, в значительно большей степени имеет дело именно со структурой рассматриваемых участков массива горных пород. Недаром при решении инженерных задач горной геомеханики часто применяется разделение проблемы на структурную и механическую составляющие. Структурная модель направлена на поиск вероятного участка локализации деформационных процессов в текущий момент времени. Задача механической части модели — попытаться оценить, насколько близко система находится к положению динамической неустойчивости, и выяснить, каков механизм потери устойчивости.
Ясно, что задачи геомеханики разломов имеют мультимасштабный характер. Рассматривая процесс постепенного (характерный масштаб времени ~108—1010 с) накопления деформации в окрестности квазиплоской границы (магистральной части разломной зоны), необходимо учитывать крупномасштабные эффекты взаимодействия между разломами разных иерархических уровней [Ребец-кий, 2007], особенности напряженного состояния внутри гетерогенных зон [Спивак, Цветков,
2009], изменение свойств породы из-за температуры и давления [Noda, Lapusta, 2010], локальную "неплоскость" формы разломных зон, их переменную толщину [Sagy, Brodsky, 2009]. Важнейшую роль на этой стадии играют эффекты изменения напряженного состояния, обусловленные дилатансией [Николаевский, 1982; Гольдин, 2004], упрочнения-разупрочнения областей массива в результате изменения пористости, перетоков флюида, вариаций порового давления [Scholz, 2002], залечивания трещин [Ружич и др., 1990] и т.д.
На заключительной стадии подготовки землетрясения (105—106 с) происходит локализация процесса в районе будущего разрыва, где, согласно некоторым данным, постепенно возрастает скорость смещения по разлому до величин порядка 0.01 мкм/c за час до события и порядка 1 мкм/с непосредственно перед началом динамического процесса [Kaneko et al., 2011]. В это время радикально снижается жесткость разломной зоны, что возможно проявляется в структуре низкочастотных микросейсмических колебаний [Кочарян, Остапчук, 2011; Соболев, 2011].
Ограничивая наше обсуждение относительно неглубокими разломами континентальной коры (менее 20 км), можно полагать, что локализация сдвига в очень узкой центральной части разлома [Chester, Chester, 1998; Sibson, 2003; и др.] может в известной степени служить основанием для простой постановки лабораторных и численных экспериментов и поиска качественных соответствий между полученными результатами и явлениями, наблюдаемыми в природе. В первой части статьи мы приводим очень краткий обзор данных, обосновывающих подобный подход.
Далее рассмотрены некоторые результаты лабораторных экспериментов, направленных на изучение влияния микроструктурных и макроме-ханических свойств трещины, заполненной дискретным материалом, на формирование того или иного режима скольжения.
Хотя постепенное "подведение" участка межблоковой зоны к пределу прочности есть процесс детерминированный эволюцией напряженно-деформированного состояния соответствующего участка коры, сам момент динамического срыва во многом случаен и может определяться внешними по отношению к очаговой зоне, порой довольно слабыми воздействиями, например, волнами от удаленных землетрясений или вибрациями [Садовский и др., 1981; Николаев, 1993; Hills, Prejan, 2006]. При этом в некоторых работах излагается идея "размена" большого землетрясения на события меньшего масштаба экзогенными воздействиями [Псахье и др., 2005; Филиппов и др., 2006; Мирзоев и др., 2009].
В третьей части работы мы рассматриваем эффект воздействия колебаний на нарушения сплошности с разными режимами деформирования.
В заключительной части статьи обсуждается возможность использования сдвиговой жесткости разломной зоны в качестве геомеханического параметра, контролирующего деформационный режим.
СВЕДЕНИЯ О СТРУКТУРЕ РАЗЛОМНЫХ ЗОН
Исследование строения континентальных раз-ломных зон приводит разных исследователей примерно к одной и той же картине. На периферии разлома находится зона влияния толщиной от метров до сотен метров, ассоциирующаяся обычно с зоной повышенной, по сравнению с вмещающим массивом, плотности трещин. Зона трещиноватости содержит распределенные трещины широкого диапазона размеров с второстепенными, часто прерывистыми сдвигами, иногда подвергшимися гидротермальным изменениям. Эта трещиноватость, ранее рассматриваемая как хаотическая, на самом деле в значительной степени структурирована
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.