CC BY
69
УДК 551.24 + 550.34
Физическое моделирование условий возникновения источников сейсмических колебаний при разрушении неровностей
в зонах разломов
В.В. Ружич1, С.Г. Псахье2'3'4, Е.Н. Черных1, Е.В. Шилько2'3, Е.А. Левина1, Е.И. Пономарева1
1 Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033, Россия 2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634055, Россия
3 Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, 634050, Россия
4 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
Проведена серия натурных экспериментов с применением созданного испытательного стенда «Трибо» в виде перемещаемой бетонной плиты, рассматриваемой как искусственное аллохтонное крыло на шероховатой плоскости сегмента Ангарского разлома в Прибайкалье. Наблюдаемые эффекты контактного взаимодействия неровностей в зоне скольжения фиксировались с применением деформометрической и динамометрической аппаратуры, а также четырех сейсмических станций «Байкал-7HR»' широко используемых для регистрации землетрясений. Изучено влияние ударных воздействий на параметры сейсмических колебаний от возникающих источников сейсмических импульсов в процессе меняющегося фрикционного трения. Предложенный способ физического моделирования и полученные данные могут быть полезными для изучения режимов, интерпретации сейсмологических наблюдений, совершенствования среднесрочного прогноза горных ударов и землетрясений, а также представляют интерес для разработки новых физических моделей формирования разномасштабных очагов сейсмической диссипации в тектонических разломах.
Ключевые слова: зона разлома, очаг землетрясения, неровности в разломах, фрикционное трение, физическое моделирование, модели очагов
Physical simulation of seismic vibration sources on fault zone irregularities
V.V. Ruzhich1, S.G. Psakhie234, E.N. Chernykh1, E.V. Shilko23, E.A. Levina1, and E.I. Ponomareva1
1 Institute of the Earth's Crust, SB RAS, Irkutsk, 664033, Russia 2 Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634055, Russia 3 National Research Tomsk State University, Tomsk, 634050, Russia 4 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
A series of full-scale experiments was performed to study the influence of shock loads on the parameters of seismic vibrations initiated in variable friction. The study was conducted on a Tribo test bench with a movable concrete plate simulating the allochthon on the rough plane of the Angara fault segment in Pribaikalie. Contact interactions of irregularities in the slip zone were recorded with strain and load gauge equipment and also with four Baykal-7HR seismic stations widely used for recording earthquakes. The proposed method of physical simulation and obtained data can be of interest for development of new physical models of differently scaled seismic energy dissipation sites in tectonic faults and can be useful for seismological studies, related data interpretation, and improvement of extended forecast of rock bursts and earthquakes.
Keywords: fault zone, earthquake source, fault irregularities, friction, physical simulation, models
1. Введение
Общепризнано, что большинство сильных коровых землетрясений связано с деформационными явлениями
в зонах тектонических разломов. Однако механизмы
возникновения очагов землетрясений остаются недо-
статочно изученными из-за сложности проведения прямых измерений параметров глубинных геомеханических процессов в сейсмофокальных областях. В результате из-за недостатка научной информации остаются невыясненными многие вопросы, связанные с пробле-
© Ружич В.В., Псахье С.Г., Черных E.H., Шилько Е.В., Левина Е.А., Пономарева Е.И., 2014
мами обеспечения сейсмобезопасности, например с повышением точности прогноза землетрясений и поиском новых путей снижения ущерба от проявлений динамического разрушения в геологической среде. Существующие на сегодня модели очагов землетрясений были созданы сейсмологами, физиками и механиками еще в 60-70 гг. прошлого века на основе лабораторных физических экспериментов [1, 2 и др.]. Позднее существующие представления были дополнены и уточнены с учетом новых, более сложных лабораторных экспериментов и данных о подготовке землетрясений и горных ударов в подземных горных выработках [3-6]. Тем не менее в современных представлениях о важных деталях механизмов подготовки очагов землетрясений в зонах разломов еще остается много вопросов, касающихся условий возникновения сейсмических брешей или проявления форшоковой активизации и кольцевой миграции слабых землетрясений на местах подготовки очагов будущих сейсмических событий. Представляется, что одна из причин замедления продвижения к решению вопросов, связанных с моделями очагов землетрясений, механизмами и условиями возникновения сей-смогенных деформаций в разломах, состоит в том, что не востребован огромный объем имеющихся геолого-геофизических данных о сейсмотектонических процессах в сейсмофокальных сегментах зон разломов. Недостаточно востребованы также многие подходы и закономерности, предложенные специалистами успешно развивающейся науки о трении — трибологии, в частности в [7-11]. Становится очевидным, что для решения поставленных вопросов необходимо применение новых видов экспериментов, физического и численного моделирования. Одним из наиболее эффективных из них может быть применение методов физического моделирования, основанных на проведении физических экспериментов в натурных геологических условиях с большей степенью масштабного и геомеханического подобия. Такой подход к решению задач геодинамики вписывается в область теоретических и экспериментальных исследований, принятых в рамках физической мезо-механики [12]. В процессе проведения физико-механических экспериментов авторами были использованы достижения в сфере решения современных задач трибологии, представленные в работах о трении в движущихся системах [8, 11]. В статье изложены результаты, полученные с помощью созданной экспериментальной установки Трибо для физического моделирования условий подготовки источников сейсмического излучения в зонах разломов. Эксперименты проводились в условиях, наиболее приближенных к естественным, при тесном сотрудничестве геологов и сейсмологов, а также специалистов, работающих в области физической мезомехани-ки и трибологии [12, 13].
2. Геологические представления о строении зон сейсмогенерирующих разломов
Как показывает авторский опыт проведения лабораторных экспериментов, физического моделирования и многолетних геолого-структурных исследований, представления о геологическом строении очагов землетрясений можно получить при полевых наблюдениях в тех местах, где эти очаговые области в зонах разломов выведены на современную земную поверхность вследствие многокилометрового денудационного среза поднимающихся горных массивов. Именно в них становится возможным визуальное обследование строения «палеоочагов», т.е. очагов доисторических землетрясений, некогда возникавших в земной коре на глубинах порядка 5-15 км. Возраст подобных палеоземлетря-сений может исчисляться десятками-сотнями миллионов лет. Помимо геолого-структурных и петрологических данных, одним из наиболее важных и наглядных признаков распознавания подобных сегментов зон дол-гоживущих сейсмогенерирующих разломов являются зеркала скольжения со следами высокотемпературного фрикционного разогрева до уровня возникновения пленочного плавления («остеклования») на их поверхностях при скоростях смещения крыльев разломов 1-10 м/с. Впервые подобный признак был выявлен в ходе геологического обследования на территории Монголии в пределах зоны Долиноозерского разлома, где изучались следы катастрофического Гоби-Алтайского землетрясения 1957 г. с М = 7.9 [14]. В дальнейшем подобные признаки также были выявлены во многих зонах долго-живущих разломов Монголии, Прибайкалья и ряда других регионов, см., например, [15].
Основываясь на геологических наблюдениях в выявленных сегментах зон разломов, где обнаружены признаки палеоземлетрясений, размеры площадей с проявлениями зеркал скольжения в первом приближении могут достигать нескольких тысяч квадратных метров (рис. 1). Соответственно, по этим оценкам можно судить о преимущественных размерах наиболее крупных пятен контактного взаимодействия тех неровностей, разрушение которых могло инициировать сильные землетрясения, достигающие магнитудных значений порядка М= 5-9.
Однако в лабораторных экспериментах на малых образцах горных пород весьма сложно проводить надлежащие замеры и соблюдать приемлемые для проведения надежных прямых измерений условия подобия природным процессам разрушения неровностей в разломах. Это обусловлено в первую очередь тем, что практически невозможно добиться соблюдения даже близкого подобия такого параметра, как время протекания изучаемых процессов подготовки горных ударов и тем более землетрясений. При рассматриваемом подходе есть основа-
Рис. 1. Морфология фрагмента плоскости скольжения с неровностями в зоне разлома, вскрытая горными выработками в сверхглубоком карьере алмазоносной трубки «Удачная» Республики Саха (а); одно из выявленных на этой поверхности зеркал скольжения с типичными штрихами скольжения и новообразованной хлоритовой минерализацией, возникшей при умеренных температурах и давлениях на глубинах 5-10 км (б)
ние ожидать более приближенного соблюдения условий физического подобия испытаний относительно природных процессов с более детальным изучением их отдельных сторон. На данном этапе исследований для авторов в первую очередь важно геомеханическое сходство деформационных и сейсмических деструктивных явлений во время разрушения горных пород при трении в зонах разломов.
3. Физическое моделирование разрушения горных пород в зонах разломов
Для более углубленного изучения механизмов разрушения неровностей на геодинамическом полигоне в п. Листвянка в 2012 г. была создана экспериментальная установка Трибо. Она размещена на ложе шероховатой плоскости скольжения зоны Ангарского сейсмоактивного разлома с углом падения 43°-45°. Сконструированная плита, армированная стальными прутьями, имеет размеры 110x90x25 см и массу 525 кг, который при необходимости увеличивается за счет размещения на плите дополнительного груза. Принудительные перемещения плиты вверх-вниз по склону осуществлялись в диапазоне скоростей порядка 0.1-10.0 мм/с с помощью специальных гидравлических домкратов. Использовалась возможность изменений режимов фрикционного трения за счет смены размеров, геометрии и прочностных свойств искусственных неровностей, размещаемых в основании плиты, а также на кристаллическом ложе
плоскости разлома в соответствии с задачами проведения испытаний. Измерения механических параметров и режимов динамического разрушения неровностей, в том числе и искусственно созданных, осуществлялись с применением специально разработанной деформомет-рической аппаратуры Сдвиг-4м, силового датчика Ток-вес, а также с использованием нескольких трехканаль-ных сейсмостанций Байкал-7HR. При испытаниях имелась возможность визуального слежения за процессом разрушения неровностей по ходу проведения эксперимента, а также после его завершения, при подъеме плиты (рис. 2, 3). Изучалось также влияние смачивания водными растворами поверхности скольжения. Физическое моделирование соответствовало условиям механической модели, представленной в виде комбинации элементов пластического скольжения тела Сен-Венана и упругой модели Гука.
В ходе экспериментов проводился анализ записей четырех сейсмостанций (рис. 4), одна из которых была установлена в центре плиты, а три других в соответствии со схемой на рис. 2 были расположены на скальном основании плоскости скольжения разлома на разных удалениях от нее. Поскольку плита перемещалась по плоскости разлома на расстояния до 20-60 см, то менялись морфология плоскости разлома, местоположение источников излучения и характер их взаимодействия. Заметим, что в условиях проведения эксперимента по параметрам затухания можно было визуально определять местоположение крупных неровностей, взаимодей-
Рис. 2. Схема устройства плиты для моделирования физических процессов на фрагменте Ангарского разлома в п. Листвянка. Показано расположение измерительной аппаратуры; отмечены примерные места пятен скольжения, возникающих при разрушении естественных неровностей в разломе; обозначены используемые при необходимости вставные искусственные выступы 1-3 в основании плиты
ствие которых с плитой инициировало возникновение упругих колебаний. Было установлено, что амплитуды ускорения сейсмических колебаний меняются при изменении расстояний от источника из-за перемещения плиты, а также в зависимости от состояния скальных грунтов в местах установки сейсмических датчиков. Перечисленные особенности локации источников колебаний в общих чертах воспроизводят условия пространственной регистрации очагов землетрясений сейсмостан-циями. При анализе получаемых сейсмологических данных применялись авторские программные средства, предназначенные для обработки каталогов тектони-
ческих землетрясений и анализа сейсмического режима с целью их прогнозирования [14].
На рис. 4 приведен пример сейсмической записи, полученной во время кратковременного момента разрушения прочного гранитного образца, установленного в качестве искусственного выступа в основании плиты, которая передвигалась вверх по склону под воздействием мощного домкрата. На верхнем графике показаны значения амплитуд ускорений сейсмических импульсов, записанных сейсмостанцией, установленной на плите, а ниже — записи трех сейсмических станций на плоскости разлома, расположенных при разных удалениях от центра плиты. Указанные очень большие амплитуды зарегистрированного сейсмического ускорения обусловлены относительно высокой прочностью разрушенного гранитного образца с сечением 9 см2, что и способствовало генерации сравнительно мощных сейсмических импульсов.
Представленные графики можно интерпретировать следующим образом. Все четыре варианта записей отражают параметры волновых колебаний, возникших при разрушении прочного выступа в основании плиты. В самой плите возникли преимущественно низкочастотные вибрации в диапазоне порядка 5-14 Гц, но с очень большой амплитудой ускорения колебаний. Датчиком ближней сейсмостанции № 37 (удаление 1.08 м), установленной на скальном основании, зарегистрирован пакет более высокочастотных колебаний в 40-60 Гц. На более удаленных станциях амплитуда ускорения колебаний заметно меньшая, а диапазон колебаний расширен в сторону более высоких частот до 140-160 Гц. На самой дальней сейсмостанции № 22 (удаление 4.64 м), установленной на полускальном грунте, частотный диапазон имеет промежуточные значения при самой малой амплитуде ускорения. Несмотря на то, что все событие
Рис. 3. Зеркало скольжения, возникшее на контактном пятне при разрушении неровности на плоскости разлома. Именно на таких участках системы «плита - разлом» происходит генерация наибольших по амплитуде сейсмических импульсов в процессе скольжения плиты
Рис. 4. Кратковременные записи колебаний от четырех сей-смостанций, установленных на плите на разных удалениях (согласно схеме на рис. 3), отражающие момент разрушения гранитного образца
уместилось во временной интервал порядка 0.6 с, в нем можно выделить стадии сейсмического события: пред-подготовки, затишья, шока и последействия в виде затухания сигналов. Для стадии предподготовки характерно проявление относительно низкочастотных колебаний, которые для условий эксперимента могут рассматриваться как признаки приближения главного динамического акта, перед наступлением которого наблюдались и кратковременные сейсмические затишья.
Представленные на рис. 5 графики иллюстрируют механизм возникновения сейсмических импульсов, генерируемых при контактном взаимодействии плиты с неровностями разлома на уровне тангенциальной силы трения 100-300 кг. Фиксировалось, что при каждом встречном соприкосновении неровностей происходит снижение скорости движения плиты или короткая приостановка на фоне роста силового давления на десятки -первые сотни кг, что требуется для преодоления возросшего контактного трения. При последующем частичном разрушении неровности на фоне спада давления возникает излучение колебаний, отраженное в повышенных значениях амплитуд сейсмического ускорения. Наиболее сильное излучение колебаний происходило в теле
800
К
с^ 400
о 200
0
1 о -200
8 4
^ А
о 0
Ч 4 -8
Рис. 5. Графики соотношения сейсмических импульсов двух сейсмостанций и скачкообразного движения плиты вниз, по наклонной плоскости разлома, в течение 50 с. Спуск плиты контролировался поддержкой штока домкрата при постепенном сбросе давления в гидросистеме. По оси ординат показаны значения датчика силы при снижении нагрузки из-за начавшегося скольжения плиты вниз (а); запись сейсмических импульсов, генерируемых в ходе прерывистого скольжения плиты по шероховатой плоскости разлома, сделанная сейсмо-станцией, расположенной на плите (б); та же запись, зарегистрированная сейсмостанцией № 23, установленной на скальном грунте (в)
вибрирующей плиты, в которой наблюдался низкочастотный спектр колебаний с частотным диапазоном на уровне 4-15 Гц, возникающих при скольжении по неровностям. Более чем на порядок слабее проявлялись амплитуды сейсмических импульсов в станциях, расположенных на плоскости разлома и на удалении от источника излучения импульсов. В таких случаях более характерны высокочастотные колебания в диапазоне 90160 Гц.
На рис. 6 представлена 25-секундная запись сейсмических колебаний при скольжении плиты вниз по плоскости разлома на расстояние 18 см под действием ее массы после полного снятия поддерживающей силы домкрата. Запись можно рассматривать как еще один пример сейсмического цикла подготовки и реализации значительного по амплитуде сейсмического импульса, связанного с преодолением плитой сравнительно небольшой по размерам неровности на плоскости разлома. Автономное сползание плиты со средней скоростью 7 мм/с при столкновении с неровностью имело 6-се-кундное замедление скорости скольжения с последующим ускорением и срывом. Запись сейсмических импульсов представлена в значениях квадрата амплитуды скорости, что позволяет рассматривать ее в виде условного эквивалента изменений уровня выделившейся сейсмической энергии.
Стоит обратить внимание на сходство подобной записи с эффектами сейсмического «затишья», проявляемого в сейсмическом режиме перед возникновением значительного по энергии землетрясения. Отсюда можно объяснить связь механизма возникновения затишья с заметным снижением скорости движения плиты в момент надвигания на неровность, иногда вплоть до приостановки, когда генерация волновых колебаний снижается до фонового уровня, который и фиксируется сейсмостанциями как сейсмическое затишье. Следствием контактного взаимодействия плиты с неровностью является образование отчетливого зеркала скольжения. В данном случае кинетической энергии движущейся плиты хватило для совершения работы по механическому преодолению неровности. Согласно проведенным наблюдениям можно отметить, что максимальный по амплитуде сейсмический импульс возникает в момент резкого ускорения движения плиты при ее срыве с поверхности преодоленной неровности. Следовательно, местоположение источника максимального импульса, т.е. его гипоцентра, оказывается, как правило, приуроченным к краевой части пятна скольжения, т.е. к тому месту, где произошел разрыв контакта и срыв плиты. Поэтому гипоцентры очагов землетрясений и их проекция на земной поверхности в виде эпицентров, как правило, приурочены к краевой части сейсмической бреши, спроектированной на земную поверхность с области скопления эпицентров форшоков [16].
Мк. 1.П|||..,.,|Я1.1ь.ик1 ] б
1 1 1 1± ,,1,1 . ,1,11,,, ,|1|....... 1ыЛ|1)Ш) ¡||1
1 1 1
0 20 40
Время, с
Рис. 6. Запись сейсмических колебаний в значениях квадрата амплитуды импульсов, возникших при гравитационном скольжении плиты и ее взаимодействии с крупной неровностью на плоскости разлома. Наиболее наглядно проявлены 4 стадии процесса: форшоковая, затишье, шоковая и афтершоковая
На основании приведенных примеров важно отметить, что непременным условием возбуждения сейсмического сигнала (возникновения сейсмического события) является высокоскоростной переход потенциальной энергии в кинетическую. Подобные эпизоды происходят при срыве плиты с препятствия в виде неровности. Возбужденный сейсмический сигнал распространяется в породном массиве в виде сейсмических волн, приобретая по мере распространения определенную структуру и знакопеременную форму. В точке расположения взаимодействующих неровностей горные породы испытывают волновые вибрации различной интенсивности в зависимости от расстояния до источника и разнообразия реологических свойств самой среды. Интенсивность сотрясения характеризуется длительностью и амплитудами кинематического движения почвы: смещением, скоростью смещения или ускорения.
Важной характеристикой сейсмического излучения считается ее энергетическая величина, однако ее оценка весьма затруднительна и потому неоднозначна. Различными специалистами в области сейсмологии по записям колебаний почвы предпринимаются разные способы оценок таких параметров сейсмических событий, как их энергия и сейсмический момент, например [17-19]. При этом приходится пользоваться многими эмпирическими зависимостями, например, для оценки энергии землетрясения по параметрам сейсмических волн. Необходим постоянный анализ сейсмологических данных для улучшения корреляционных зависимостей между параметрами источников сейсмических событий (землетрясений, взрывов) и параметрами регистрируемых сейсмических колебаний.
Обратимся к оценкам некоторых энергетических параметров на основании простейших расчетов. Прерывистое движение плиты по шероховатой поверхности происходит вследствие эпизодов торможения и срывов на неровностях, при этом доля потенциальной энергии переходит в кинетическую, возбуждая в колеблющейся среде сейсмические импульсы. Зная величину изменения потенциальной энергии, можно определить уровень корреляции этого показателя с параметрами сейсмического сигнала. На рис. 7 приведена выявленная зависимость между скоростью смещения сейсмических колебаний, регистрируемых в плите, и изменением ее потенциальной энергии.
Аппроксимация измеренных значений линейной зависимостью дает следующую формулу:
АЕ = 156В,
где АЕ — изменение энергии; В — амплитуда скорости перемещений, мкм/с.
20
^10 <1
5
(Ъ-.-.-
0.00 0.05 0.10 0.15
В, мкм/с
Рис. 7. Зависимость амплитуды скорости смещений В и изменения потенциальной энергии АЕ движущейся плиты
По выявленной зависимости можно оценить количество энергии, выделившейся в виде сейсмических волн. Так, например, сейсмическая энергия, выделившаяся при движении плиты со скоростью 7 мм/с на расстояние 8 см, составила 1.1 Дж при изменении потенциальной энергии на 230 Дж. Таким образом, доля потенциальной энергии, перешедшей в энергию сейсмическую, будет составлять порядка ~0.5 %, что сопоставимо с известными в сейсмологии подобными значениями.
Таковым в общих чертах представляется один из распространенных механизмов возникновения источников сейсмических колебаний в зонах разломов при фрикционном взаимодействии их крыльев. Предложенные примеры механизма подготовки и проявления источников сейсмических колебаний в зоне разлома при физическом моделировании можно отнести к числу широко распространенных, но отнюдь не универсальных, поскольку разнообразны условия разрушения неровностей разного размера, конфигурации и прочностных характеристик, а также скорости смещений. Попутно заметим, что режим прерывистого скольжения, положенный в основу известной модели stick-slip не является исключительным. Его можно считать повсеместным, т.е. во всех проявлениях фрикционного скольжения по плоскостям скольжения с различной степенью шероховато-
сти с учетом того, что идеально гладких поверхностей в природе не существует.
4. Изучение влияния ударных воздействий на плиту и на режим генерации сейсмических колебаний
Цель проведения подобных испытаний — изучение возможности применения внешних воздействий для управляемого изменения режима скольжения плиты и генерации сейсмических колебаний, возникающих в пятнах скольжения. В природных условиях источниками подобного рода импульсных воздействий на зоны скольжения сейсмогенерирующих разломов могут быть, например, взрывы или близкие сильные землетрясения.
Рассматривались виды испытаний, когда при скольжении плиты вниз она останавливалась из-за возникшего трения на крупной неровности. Для ее продвижения осуществлялось направленное воздействие в виде нескольких десятков слабых ударов небольшим молотом (масса 0.75 кг). Эти воздействия приводили к проявлению небольшого смещения с суммарной амплитудой 0.55 мм и малозаметным изменениям сейсмического режима. Иная реакция фиксировалась при воздействии деревянного молота массой 10 кг. Кинетическая энергия такого удара оценивалась согласно известному уравнению
Рис. 8. График записи сейсмостанции № 23, установленной на скальном основании. Произведено сглаживание амплитуд сейсмических импульсов методом суммирования. На записи отражены эффекты 9 ударов деревянным молотом, что, в конечном счете, привело к срыву плиты с поверхности крупной неровности на плоскости разлома и генерации серии мощных сейсмических импульсов
тг2
Е =-.
2
Скорость удара V составляла ~1.2 м/с, из чего следует, что общая кинетическая энергия удара деревянного молота достигала порядка Е ~ 7.2 Дж. Удары наносились в верхний торец плиты в направлении вниз по склону. Воздействия деревянным молотом осуществлялись тремя сериями по три удара в каждой (рис. 8). В последней серии были произведены сначала только два удара, а третий удар нанесен через 57 с после временной задержки, связанной с осмотром состояния крупной неровности, препятствующей спуску плиты. Воздействие последнего удара практически слилось с инициированным срывом плиты и мощным сейсмическим импульсом, после которого проявилось еще несколько более слабых импульсов. Согласно расчетам, выделившаяся полная кинетическая энергия плиты составила порядка 4.14-102 Дж. Энергия самого удара в сейсмическом выражении составила порядка 1-2 Дж. Последний удар можно рассматривать как решающее триг-герное импульсное воздействие, приведшее к высокоскоростному переходу части потенциальной энергии в кинетическую — после срыва плиты с препятствия.
Таким образом, с каждым ударом молота происходило суммирование смещений в области взаимодействия плиты с неровностью, что привело к ее продвижению по крупной пологой неровности вплоть до срыва. В конечном счете неровность была преодолена плитой с частичным разрушением неровности, а далее произошел ускоренный срыв плиты со скоростью движения 0.10.3 м/с. Энергия всей серии из 9 ударов расходовалась на преодоление силы трения и генерацию умеренных по энергии импульсов. При скоростном срыве плиты часть ее потенциальной энергии преобразовалась в кинетическую. Соответственно ее небольшой процент был преобразован в волновые вибрации в виде сейсмических колебаний.
Испытания с ударными воздействиями показали возможность применения на испытательном стенде триг-герных дозируемых воздействий на режим контактного взаимодействия в зоне прерывистого фрикционного скольжения по плоскости с неровностями. Ориентированная направленность ударных воздействий привела к ускоренному смещению плиты вниз, всплеску сейсмической эмиссии и снижению потенциальной энергии. Как показал опыт проведенных ранее испытаний, при ударах, направленных вверх по склону, т.е. против действия сил гравитации и трения, ударные воздействия приводили к возрастанию потенциальной энергии плиты, а следовательно, и возрастанию вероятности увеличения потенциальной сейсмической энергии возможных будущих сейсмических импульсов. Другими словами, происходило поступление дополнительной потенциальной энергии в породный массив. Из сказанного мож-
но констатировать, что энергетически сильные ударные воздействия, нацеленные на область контактного взаимодействия в плоскости скольжения, при определенных условиях сдвигового сопротивления в зоне скольжения могут привести к спонтанному выделению мощных сейсмических импульсов.
5. Обсуждение результатов
В работе показано, что проведение натурных экспериментов с использованием испытательного стенда Трибо в рамках физического моделирования геомеханических условий возникновения источников сейсмических колебаний с помощью искусственного активного крыла разлома перспективно. Оно позволяет получать полезные сведения, необходимые для более эффективного изучения фрикционных процессов в зонах сейсмо-генерирующих разломов в сравнении с лабораторными экспериментами. Подобный подход позволяет изучать механизмы разрушения разномасштабных неровностей при различных режимах скольжения, когда можно менять многие параметры трения с использованием флюидного насыщения контактирующих неровностей. При этом появляется возможность фиксировать с высокой точностью физико-механические параметры процесса разрушения неровностей в плоскости разлома, что в дальнейшем, при накоплении надежных данных, открывает возможности успешного численного моделирования геофрикционных процессов в породных массивах с зонами тектонических нарушений сплошности.
Становится более понятным, в частности, что разрушение крупномасштабных неровностей в зонах скольжения крупных разломов, таких как в зонах субдукции, происходит многократно и преимущественно в отдельных сегментах разломов в течение длительного по геологическим меркам времени. Как показывает практика сейсмотектонических исследований, в зонах долгоживу-щих разломов очаги землетрясений формируются в течение сотен или тысяч лет примерно в одних и тех же сегментах разломов через определенные временны е интервалы, необходимые для накопления энергии и амплитуд тектонических деформаций до критического уровня. В то же время в других сегментах разломов сейсмическая активность остается практически невыраженной. Вместе с этим в таких пассивных сегментах обнаруживаются многочисленные следы былых сейсмических активизаций в виде палеосейсмодислокаций.
В зарубежной литературе крупные неровности в межплитных разломах (таких как зоны Беньоффа) принято обозначать термином «asperity». С их разрушением многие исследователи связывают возникновение сильных землетрясений, в частности таких как широко известное японское катастрофическое землетрясение 11 марта 2011 г. (М = 9.1). Полученные нами выводы, основанные на результатах проводимых физических
экспериментов, согласуются с этими представлениями. Выводы можно дополнить еще и тем, что динамическое разрушение очень крупных неровностей в межплитных разломных зонах происходит многократно с периодическими всплесками сейсмотектонической активности. Об этом свидетельствуют исторические данные и сей-смогеологические изыскания. На основании таких сведений облегчается распознавание мест подготовки очередных землетрясений, а долгосрочный и среднесрочный их прогноз может осуществляться с большей точностью. Проводимые нами наблюдения за сейсмическим режимом в пределах Байкальской рифтовой зоны, где отчетливо выявляются проявления сейсмической сегментации (сепарации), также подтверждают данный вывод [20].
Становится более обоснованным представление о том, что наиболее интенсивное контактное механическое взаимодействие в зонах сейсмоактивных разломов осуществляется именно на крупных неровностях, где собственно и готовятся очаги многих наиболее сильных землетрясений. Площадь таких контактных пятен скольжения может варьировать в широких пределах, однако в отношении ко всей площади соприкосновения крыльев разломов она невелика и, скорее всего, составляет порядка нескольких процентов. Следовательно, именно в местах интенсивного контактного взаимодействия возникает возможность более эффективного управления режимом разрушения неровностей путем контролируемых техногенных воздействий, например закачивания через скважины поверхностно активных флюидов, проведение гирляндных взрывов или применение мощных вибраторов.
6. Заключение
На основании полученных данных предложено экспериментально обоснованное физическое объяснение распространенного механизма возникновения сейсмического цикла при подготовке значимого сейсмического события, состоящего из таких известных эффектов, как сейсмическая «брешь» и «затишье», форшоковая, шоковая и афтершоковая активность. Во многих случаях они могут быть связаны с актами многократного разрушения (изнашивания) крупных неровностей в зонах долгоживущих тектонических разломов. С этих же позиций объясняется многократно фиксируемое проявление сейсмических активизаций (сейсмической сепарации) примерно в одних и тех же сегментах зон разломов на протяжении многих сотен или тысяч лет. Полученные сведения могут быть полезными для различных видов прогноза землетрясений или горных ударов, а также использоваться для разработки новых физических моделей очагов землетрясений, более адаптированных к тектонофизическим условиям.
Рассмотренный экспериментальный подход к изучению механики разрушения в зонах сейсмогенерирую-
щих разломов с позиций трибологии, пока еще весьма упрощенный, позволяет получать новые сведения о важных деталях деструктивных геодинамических явлений, связанных с непосредственной подготовкой очагов излучения сейсмических колебаний. Подобные данные, в свою очередь, дают возможность более однозначно решать и обратные задачи, а именно: из записей сейсмограмм получать более обоснованные представления об источниках диссипации волновых колебаний в зонах разломов. Расширение информационной базы данных о глубинных явлениях в разломах может способствовать повышению эффективности численных методов, что в конечном счете ляжет в основу создания новых моделей очагов землетрясений. Несомненно, что они будут более сложными и адекватными геолого-геофизическим условиям в сегментах зон сейсмогенерирующих разломов на глубинах порядка 10-20 км, где существуют оптимальные условия для зарождения наиболее мощных источников генерации сильных внутрикоровых землетрясений [21]. Существующие сегодня представления об очаге землетрясения могут быть расширены посредством сведения в единую модель очагов землетрясений, включающих сочетание трибофизических и трибохими-ческих эффектов разрушения горных пород, возникающих при трении, таких как проявление дилатансии, флюидного насыщения, термического разогрева, катак-ластического течения, а также трибохимического преобразования горных пород, включая такие явления, как залечивание нарушений сплошности блочных массивов горных пород.
Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг.
Литература
1. Breis W.F., Byerlee J.D. Stick-slip as mechanism for earthquakes // Science. - 1966. - V. 153. - No. 3739. - P. 62-64.
2. Scholz C.H. The Mechanics of Earthquakes and Faulting. - Cambrige: Cambridge Univ. Press, 1990. - 439 p.
3. Виноградов С.Д., Пономарев В.С. Экспериментальное изучение сейсмического режима // Природа. - 1999. - Т. 77. - № 3. - С. 7789.
Vinogradov S.D., Ponomarev VS. Experimental investigation of seismic setting // Priroda. - 1999. - V. 77. - No. 3. - P. 77-89.
4. Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений // Физика очага землетрясения. - М.: Наука, 1975. - С. 6-29.
Myachkin V.I., Kostrov B.V., Sobolev G.A., Shamina O.G. Fundamentals of the Physics of Earthquake Focus and Forerunners // Physics of Earthquake Focus. - Moscow: Nauka, 1975. - P. 6-29.
5. Нерсесов И.Л., Пономарев В.С., Тейтельбаум Ю.М. Эффект сейсмического затишья при больших землетрясениях // Исследования по физике землетрясений. - М.: Наука, 1976. - С. 140-168. Nersesov I.L., Ponomarev V.S., Teitelbaum Yu.M. Effect of Seismic Quiescence at Large Earthquakes // Research in the Earthquake Physics. - Moscow: Nauka, 1976. - P. 140-168.
6. СоболевГ.А. Основы прогноза землетрясений. - М.: Наука, 1993. -313 с.
Sobolev G.A. Basis of Earthquake Prediction. - Moscow: Nauka, 1993.- 313 p.
7. Основы трибологии / Под ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Наука и техника, 1995. - 778 с.
Fundamentals of Tribology: Friction, Wear, Lubricants / Ed. by A.V. Chichinadze. - Moscow: Nauka i Tekhnika, 1995. - 778 p.
8. Попов В.Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. - М.: Физматлит, 2013. - 350 с.
Popov V.L. Contact Mechanics and Friction. Physical Principles and Applications. - Berlin: Springer-Verlag, 2010. - 362 p.
9. Беркович И.И., Громаковский Д.Г. Трибология. Физические основы,
механика и технические приложения. Учебник для вузов. - Самара: СГТУ 2000. - 268 с.
Berkovich I.I., Gromakovskii D.G. Tribology. Physical Fundamentals, Mechanics, and Technical Applications. University Texbook. - Samara: SSTU, 2000. - 268 p.
10. Хайнике Г. Трибохимия. - М.: Мир, 1987. - 584 с.
Heinicke G. Tribochemistry. - Munich: Carl Hanser Verlag, 1985. -495 p.
11. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989. -328 с.
Garkunov D.N. Tribology. - Moscow: Mashinostroenie, 1989. - 328 p.
12. Popov V.L., Psakhie S.G. Numerical simulation methods in tribology // Tribol. Int. - 2007. - V. 40. - P. 916-923.
13. Димаки А.В., Попов В.Л. Метод редукции размерности и его применение для моделирования трения эластомеров в условиях сложных динамических нагрузок // Физ. мезомех. - 2012. - Т. 15. -№ 4. - С. 81-86.
Dimaki A.V., Popov V.L. The method of reduction of dimensionality and its application to simulation of elastomer friction under complex dynamic loads // Phys. Mesomech. - 2012. - V. 15. - No. 5-6. -P. 319-323.
14. Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. - 144 с.
Ruzhich V.V. Seismotectonic Destruction in the Earth's Crust of Baikal Rift Zone. - Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 1997. - 144 p.
15. Лескова Е.В., Еманов А.А. Характер деформаций в эпицентраль-ной зоне Чуйского землетрясения (27 сентября 2003 г., K = 17,
Горный Алтай) по данным анализа фокальных механизмов афтер-шоков // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 1. - С. 51-55. LeskovaE.V., EmanovA.A. Deformation pattern for the epicentral area of the Chuya earthquake (September 27, 2003, K = 17, Gorny Altai) according to analysis data for aftershock focal mechanisms // Fiz. Mezomekh. - 2006. - Т. 9. - No. 1. - P. 51-55.
16. Соболев Г.А., Пономарев В.А. Акустическая эмиссия и стадии подготовки разрушения в лабораторном эксперименте // Вулканология и сейсмология. - 1999. - № 4/5. - С. 50-62.
Sobolev G.A., Ponomarev V.A. Acoustic emission and stages of fracture preparation in a laboratory experiment // Vulkanolog. Seism. -1999. - No. 4/5. - P. 50-62.
17. Коган С.Я. Сейсмическая энергия и методы ее определения. -М.: Наука, 1975. - 153 c.
Kogan S.Ya. Seismic Energy and Methods of its Determination. - Moscow: Nauka, 1975. - 153 p.
18. Машков Ю.К. Трибология конструкционных материалов. - Омск: ОмГТУ, 1996. - 299 c.
Mashkov Yu.K. Tribology of Constructional Materials. - Omsk: OmSTU, 1996. - 299 p.
19. Мишин С.В. Сейсмические процессы и сохранение импульса. -Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 2004. - 115 c.
Mishin S.V. Seismic Processes and Momentum Conservation. - Magadan: NEISRI FEB RAS, 2004. - 115 p.
20. Ружич В.В., Хилько С.Д. Анализ моделей очагов землетрясений с сейсмогеологических позиций // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород при землетрясениях. - М.: Наука, 1987. - С. 113-122.
Ruzhich V.V., Khilko S.D. Analysis of Models of Earthquake Focus from the Seismic Point of View // Physical Fundamentals for Prediction of Rock Fracture at Earthquakes. - Moscow: Nauka, 1987. -P. 113-122.
21. Райс Д. Механика очага землетрясений. - М.: Мир, 1982. - 217 с. Rice J.R. The Mechanics of Earthquake Rupture // Physics of the Earth's Interior. - Amsterdam: Holland, 1980.
Поступила в редакцию 17.02.2014 г.
Сведения об авторах
Ружич Валерий Васильевич, д.г.-м.н., гнс ИЗК СО РАН, [email protected]
Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН, дир. ИФПМ СО РАН, проф. ТГУ, зав. каф. ТПУ, [email protected]
Черных Евгений Николаевич, к.ф.-м.н., снс ИЗК СО РАН, [email protected]
Шилько Евгений Викторович, д.ф.-м.н., внс ИФПМ СО РАН, проф. ТГУ, [email protected]
Левина Елена Алексеевна, к.г.-м.н., нс ИЗК СО РАН, [email protected]
Пономарева Елена Иннокентьевна, инж. ИЗК СО РАН, [email protected]
