CC BY
65
Изучение влияния виброимпульсных воздействий на режим смещений в зонах сейсмоактивных разломов
В.В. Ружич, С.Г. Псахье1, С.А. Борняков, О.П. Смекалин, Е.В. Шилько1, Е.Н. Черных, В.В. Чечельницкий, С.В. Астафуров1, 2
Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Томский государственный университет, Томск, 634050, Россия
Излагаются результаты экспериментального и теоретического изучения влияния виброимпульсных воздействий на режим смещений в зонах сейсмоопасных разломов. Натурные эксперименты проводились с помощью измерительного комплекса «Сдвиг». В результате систематического изучения были получены новые сведения о высокой виброчувствительности разрывных нарушений к внешним динамическим воздействиям в виде взрывов, ударов копра и вибраций от различных механизмов. Выявлен эффект двухфазного отклика разломов на такое воздействие. Изучение этого феномена позволяет углубить существующие представления
о сложной упругопластической реакции сложных геологических сред, насыщенных разрывными нарушениями, на относительно слабые внешние вибрационные воздействия. Компьютерное моделирование методом МСА позволило понять природу и механизмы влияния внешних виброимпульсных воздействий на режим смещений. Показано, что такие воздействия могут изменять состояние не только самого разлома, но и прилегающих областей. Проведенные в 2002 году натурные эксперименты в Монголии на сейсмодислокациях от сильных землетрясений позволили получить конкретные результаты, подтверждающие вывод о принципиальной возможности техногенного управления режимом смещений в зонах сейсмоопасных разломов путем использования сейсмовибра-ционных методов.
1. Введение
Хорошо известно, что активно развивающиеся в земной коре разломы являются структурными элементами, в которых под воздействием деформирующего влияния возникают и очень быстрые, и медленные смещения, сопровождающиеся излучением волновых колебаний в самом широком амплитудно-частотном диапазоне. Часть подобных колебаний проявляется, например, в виде опасных землетрясений или сейсмических шумов. Однако до настоящего времени малоисследованными остаются вопросы о том, как влияют внешние волновые воздействия на сами разломы. В частности, известен ряд аналитических работ [1-6], где в первом приближении обсуждаются вопросы инициации смещений в разломах и сейсмической активности при воздействиях упругих волн от взрывов и землетрясений. Несмотря на полезность полученных авторами результатов, остается нерешенным большое количество принципиальных вопросов, особенно в области практических приложений. Подобные вопросы в последнее время приобрели акту-
альность не только в свете назревшей необходимости углубленного познания процессов сейсмотектонической деструкции земной коры, но также в связи с разработкой методов превентивного техногенного воздействия на те участки разломов, где проявляются признаки подготовки опасных природных процессов в виде обвалов, оползней, быстрых смещений геоблоков или возникновения очагов сильных землетрясений [7-11]. В настоящей работе изложены некоторые результаты комплексного изучения влияния виброимпульсных воздействий на режим смещений в разломах. Анализируются данные, полученные путем проведения лабораторного физического моделирования, натурных экспериментов на реальных геолого-структурных объектах и компьютерного моделирования методом МСА.
2. Лабораторное физическое моделирование
Для экспериментального изучения влияния вибрационного воздействия на режим смещения в зонах разломов выполнено лабораторное моделирование. Спе-
© Ружич В.В., Псахье С.Г., Борняков С.А., Смекалин О.П., Шилько Е.В., Черных Е.Н., Чечельницкий В.В., Астафуров С.В., 2003
циально изготовленная для этих целей конструкция жестко крепилась на вибростенде серийного производства, предназначенном для тарировки сейсморегистрирующей аппаратуры (рис. 1). Вибростенд позволяет задавать гармонические колебания в горизонтальной плоскости в широком диапазоне амплитуд и частот. Основными рабочими деталями конструкции являлись два плоских штампа с рифлеными внутренними поверхностями, имитирующими крылья разлома, один из которых в процессе эксперимента оставался неподвижным, а другой, соединенный с электроприводом через высокочувствительный тензодатчик, смещался с заданной скоростью. Между штампами размещалась водная паста монтмориллонитовой глины, обладающая упруго-вязкопластическими свойствами и имитирующая внутри-разломную зону, заполненную материалом интенсивно перетертых и раздробленных горных пород, подвергнутых глубокому физико-химическому преобразованию. В процессе экспериментов с помощью тензодатчика и комплекса регистрирующей аппаратуры записывались параметры изменения тягового усилия, необходимого для деформирования модельного материала при воздействии вибраций и без них. Эксперименты выполнялись при разных граничных условиях — варьировались скорость смещения штампа и амплитуда вибраций.
Результаты двух первых экспериментов, представленные на рис. 2, демонстрируют влияние вибрации на режим смещения в зоне разлома. В первом эксперименте подвижный штамп смещался со скоростью 0.072 мм/с без вибрационного воздействия, во втором при скорости деформирования 0.046 мм/с модельная система подвергалась вибрации с амплитудой А = 0.1 мм и частотой 10 Гц. Сопоставление приведенных графиков показывает их существенное различие (рис. 2, а).
Рис. 1. Схема экспериментальной системы для лабораторного моделирования влияния вибрации на режим смещений берегов тектонических разрывов
Выяснено, в частности, что при вибрационном воздействии режим смещения в плоскости скольжения существенно меняется.
Во-первых, модельный материал разрушается при более низкой тяговой нагрузке. Если в первом эксперименте ее максимальное значение составило более 12 кг, то во втором оно оказалось на 2.5 кг меньше, несмотря на использование в нем более высокой скорости деформирования. Учитывая прямую зависимость максимальной тяговой нагрузки, необходимой для разрушения модельного материала, от скорости его деформирования, можно констатировать, что реальное падение значения максимальной тяговой нагрузки в условиях одинаковых скоростей было бы еще больше.
Во-вторых, в условиях вибрации в зоне моделируемого разлома изменяется режим частных смещений, выражающихся в виде отдельных пиков на графиках. Если в первом эксперименте за контрольный интервал времени (2 мин) на схожих отрезках ниспадающей части кривой происходило 7-8 подвижек, то во втором эксперименте их насчитывается в два раза больше. При этом сброс тяговой нагрузки при единичной подвижке в первом случае более чем в два раза превышает этот показатель во втором варианте, что позволяет говорить о частой разрядке напряжений в плоскости сместителя более мелкими порциями в условиях действия вибраций. Последнее имеет принципиально важное прикладное значение при моделировании смещений в разломах в условиях вибрационного воздействия. Очевидно также снижение коэффициента трения в плоскости сместителя при вибрационной нагрузке.
Рисунок 2, б демонстрирует результаты более сложного по техническому исполнению эксперимента. Через 1.5 мин от начала деформирования модельная система подверглась вибрации с амплитудой 0.1 мм при частоте 10 Гц. Через 3.5 мин амплитуда вибрации была увеличена до 0.55 мм. Еще через 2.5 мин вновь была увеличена амплитуда вибрации до 3.75 мм с последующим ее отключением. Анализ полученного графика показывает, что с началом вибрационного воздействия на модельную систему существенным образом менялся тренд поведения кривой в сторону снижения нагрузки, необходимой для смещения. С увеличением амплитуды вибрации на отметке 6 мин эта нагрузка уменьшается на 1 кг. Модельная система быстро возвращается в прежнее состояние при отключении вибрации в ходе дальнейшего деформационного процесса. На рис. 2, в показаны в увеличенном виде фрагменты трех режимов записи смещений при действии вибраций различной амплитуды и без него. При одинаковой частоте малоамплитудные вибрации способствуют более плавному скольжению верхнего сегмента системы (запись 2). Высокоамплитудные вибрации приводят к существенному снижению тяговой нагрузки, а также к более прерывистому ходу скольжения и появлению дополнительных новых
Время, мин
Время, мин
го
го
го
X
Время, мин
Рис. 2. Графики, полученные при проведении лабораторных экспериментов: а — записи изменений тяговой нагрузки при протяжке верхнего подвижного штампа без вибраций (1) и с вибрацией (2); б — эксперимент с тремя различными амплитудами вибраций; в — более детальный вид записей режима смещений с указанием амплитуд вибраций
сигналов в виде быстрых импульсных смещений, которые почти не проявлялись ранее (запись 3).
Таким образом, проведенное экспериментальное исследование показало, что вибрационное воздействие на всю систему, включая плоскость смещения, моделирующую зону разлома, оказывает существенное воздействие на режим сдвиговых деформаций. В регистрируемом режиме смещений обнаруживается увеличение числа импульсных подвижек, но при этом уменьшаются их амплитуды. Наиболее заметным образом влияние вибраций выражается в виде снижения коэффициента трения и тяговой нагрузки, способствуя при этом более плавному смещению верхнего штампа, имитирующего движение активного крыла разлома.
3. Эксперименты на природных объектах
Изучение физической природы отклика разломов на
внешние динамические воздействия в виде ударов коп-
ра, взрывов или техногенных вибраций проводилось в течение 5 лет, начиная с 1998 г., на геодинамических полигонах «Листвянка» и «Талая» в районе юго-западного побережья Байкала, а также в различных районах Прибайкалья, Сибирской платформы и Монголии [10, 11]. Условия проведения исследований подобного типа заключались в следующем. Для измерения режимов смещений в разломах использовалась специально разработанная регистрирующая аппаратура, а датчики смещений устанавливались непосредственно внутри тектонических разрывов при базе измерений в десятки сантиметров (рис. 3). Проводились как пассивный, так и активный виды мониторинга движений. При активном мониторинге волновые вибрации в массиве горных пород возбуждались ударами, взрывами или виброисточниками в виде работающих механизмов — буровая установка, трактор. Изучалось влияние вибровоздействий от близких землетрясений с интенсивностью 4-7 баллов по шкале МЗК-64, которые вызывали хорошо заметные изменения режима смещений в разломах [12]. В ходе натурных наблюдений была установлена высокая виброчувствительность разрывных нарушений: даже относительно слабые внешние динамические воздействия в виде волновых колебаний с энергией 103-106 Дж на удалениях 1-10 м от мест установки датчиков вызывали ощутимые аномальные смещения 0.01-5 мм. При измерениях в карьере, где проводились промышленные взрывы мощностью в десятки-сотни тонн взрывчатого вещества с энергией порядка 1011 Дж, даже на больших удалениях до 400-500 м были также отчетливо зафикси-
Рис. 3. Размещение измерительного комплекса «Сдвиг» в Могодской сейсмодислокации, возникшей при 10-балльном землетрясении в 1967 г.
Pto. 4. ^инциптальтая cxeмa peгиcтpaции дeфopмaциoннo-вoлнo-вьгс кoлeбaний c пoмoщью дaтчикoв, paзмeщeнныx в пoлocтяx вибpo-чувствительны^ paзpывныx нapyшeний гopнoгo мaccивa
poвaны виды oткликa co cмeщeниями в нecкoлькo мил-лимeтpoв, чтo cooтвeтcтвoвaлo эффскту б-7-бaлльныx ceйcмичecкиx coтpяceний.
Aнaлиз coбpaнныx мaтepиaлoв пoкaзaл, чтo в xapa^ тepe oткликa в виде вoзбyждeнныx cмeщeний пo paзлo-мaм, кaк пpaвилo, выявляютcя две фaзы: пepвaя cooтвeт-cтвyeт мoмeнтy пpoxoждeния фpoнтa yпpyгиx иниции-pyющиx кoлeбaний oт иcтoчникa, втopaя пpoявляeтcя тооне нeкoтopoй зaдepжки нa дecятки ceкyнд, минуты и дaжe чacы. Caм oтклик вo втopoй фaзe pacтягивaлcя нa пpoдoлжитeльнoe вpeмя, coизмepимoe то вpeмeни c зaдepжкoй, нo зaтo нaмнoгo пpeвocxoдил cмeщeния, выявленные ^и пepвoй фaзe [13].
^и пpoвeдeнии мoнитopингa cмeщeний былo тaкжe ycтaнoвлeнo, чтo вce oбcлeдoвaнныe c пoмoщью изме-pитeльнoй aппapaтypы paзлoмы xapaктepизyютcя peжи-мoм пocтoянныx вoзвpaтнo-пocтyпaтeльныx движений иx бepeгoв c paзличными индивидyaльными cкopocтями и aмплитyдaми излyчaeмыx ими coбcтвeнныx быcтpыx импyльcныx вибpaций. Bыяcнeнo, нaпpимep, чтo cтeнки paзpывныx нapyшeний пocтoяннo вибpиpyют и излу-чaют coбcтвeнныe кoлeбaния дeфopмaциoннo-вoлнoвoй пpиpoды. Пpичинa зaключaeтcя тoм, чтo paзpывы нaxo-дятcя в aктивнoй нaпpяжeннoй гeoлoгичecкoй cpeдe и пoдвepгaютcя нeпpepывным внешним вoздeйcтвиям paзличнoгo пpoиcxoждeния — мeтeoгeнным, ^илив-ным, ceйcмичecким и мтогим дpyгим, пpoиcxoждeниe кoтopыx еще не ycтaнoвлeнo. Moжнo зaмeтить, что чacть этиx иcтoчникoв oбycлoвлeнa тeктoничecкoй пpиpoдoй эндoгeннoгo и внeзeмнoгo пpoиcxoждeния.
Иcxoдя из нaкoплeннoгo oпытa пpoвeдeния нaтypныx экcпepимeнтoв былo ycтaнoвлeнo, что чacтoтный cпeктp иницииpyющиx вoлнoвыx кoлeбaний, вoзбyждaeмыx пpи пpoвeдeнии yдapныx и взpывныx вoздeйcтвий нa гopный мaccив, включaющий в ceбя paзpывнoe ^py-шение пpoтяжeннocтью дecятки-coтни мeтpoв, бoльшeй чacтью пpeдcтaвлeн в диaпaзoнe oт 1-2 дo 12-17 Гц,
т.е. yклaдывaeтcя в двa пepвыx дecяткa Гц. Энepгии импyльcныx вoздeйcтвий, гак уже былo oтмeчeнo выше, имели диaпaзoн 103-1011 Дж и cooтвeтcтвeннo этoмy, a тaкжe yдaлeннocти та мeтpы - мнoгиe coтни мeтpoв иcтoчникa вoздeйcтвия oт paзлoмa aмплитyды вoлнoвыx кoлeбaний yклaдывaютcя в диaпaзoнe oт coтыx дoлeй миллимeтpa дo нecкoлькиx миллимeтpoв. Иницииpo-вaнныe oтнocитeльныe дeфopмaции в гopныx пopoдax имеют диaпaзoн знaчeний є = 10-7-10-5.
O coбcтвeнныx aмплитyднo-чacтoтныx кoлeбaнияx cтeнoк paзpывныx нapyшeний мoжнo cyдить то зaпиcям cмeщeний, пoлyчeнным c пoмoщью ycтaнoвлeнныx дaт-чикoв вo внyтpeнниx пoлocтяx пpиpaзлoмныx тpeщин. Haши oцeнки cдeлaны нa ocнoвe пpeдпoлoжeния o тoм, чтo кoлeбaния cтeнoк paзpывныx нapyшeний вoзникaют пpи пpoxoждeнии чepeз мaccив вмeщaющиx гopныx то-poд дeфopмaциoнныx кoлeбaний вoлнoвoй пpиpoды пpиpoднoгo и тexнoгeннoгo пpoиcxoждeния (pиc. 4) B тaкoм cлyчae пpи aнaлизe пoлyчeнныx зaпиceй тояв-ляeтcя вoзмoжнocть cyдить o пapaмeтpax вынyждeнныx кoлeбaтeльныx движений cтeнoк paзpывoв, кoтopыe, в cвoю oчepeдь, cтaнoвятcя ocциллятopaми кoлeбaний. Heoбxoдимo oтмeтить, чтo чacтoтный диaпaзoн толу-чeнныx зaпиceй был peглaмeнтиpoвaн зaдaвaeмыми та-paмeтpaми диcкpeтнocти peгиcтpиpyющeй aппapaтypы в cooтвeтcтвии c peшaeмыми зaдaчaми (0.1-10 c).
Ha pTO. 5 пoкaзaны cxeмa пpoвeдeния экcпepимeнтa в зoнe ceйcмoдиcлoкaции Topмxoнcкoгo взбpoco-cдвигa, вoзникшeгo пpи кaтacтpoфичecкoм Гoби-Aлтaйcкoм зeмлeтpяceнии 1957 гoдa нa юге Moнгoлии, a тaкжe o6-paзeц зaпиcи cмeщeний. Дaннaя зaпиcь oтpaжaeт peжим быcтpыx импyльcныx cмeщeний, вoзбyждeнныx нeбoль-шим взpывoм, кoтopыe нa фoнoвoм ypoвнe мeдлeнныx движений мoжнo paccмaтpивaть кaк иницииpoвaннoe зaмeдлeннoe микpoзeмлeтpяceниe. Moжнo oтмeтить, чтo длитeльнocть тaкoгo poдa aктивныx кoлeбaний o^ paничивaeтcя 3-4 минyтaми. Paзмax вepтикaльныx го-лeбaний дocтигaeт 1.5 мм, чтo та 1-2 пopядкa выше фoнoвыx зтачений, cpeдниe знaчeния длитeльнocти им-пуль^в кoлeблютcя в пpeдeлax 1-2 c, чтo cooтвeтcтвyeт чacтoтe пopядкa oднoгo гepцa или eгo пepвыx дoлeй. B экcпepимeнтe нa дaннoй ceйcмoдиcлoкaции был толу-чен еще oдин пpинципиaльнo вaжный peзyльтaт. Пpи кумулятивтой зaклaдкe взpывчaтoгo вeщecтвa иниции-pyющee взpывнoe вoздeйcтвиe c энepгиeй б - 10б Дж былo opиeнтиpoвaннo тaким oбpaзoм, чтo вызвaлo пoдвижкy в том же нaпpaвлeнии, кoтopoe фикcиpoвaлocь пepeд инициaциeй. Taким oбpaзoм, вибpoимпyльcнoe вoздeй-cтвиe yвeличилo и ycкopилo ecтecтвeннoe пpaвocтopoн-нее взбpoco-cдвигoвoe cмeщeниe в ceйcмoдиcлoкaции. Пpи этoм гopизoнтaльнaя кoмпoнeнтa быcтpoгo иниции-poвaннoгo cмeщeния (пepвaя фaзa oткликa) cyщecтвeн-нo пpeвыcилa вepтикaльнyю (pиc. 5, б). B xoдe пpoявлe-ния втopoй фaзы oткликa нa фoнe мeдлeнныx cмeщeний cтaли пpoявлятьcя oтcyтcтвoвaвшиe paнee такеты быcт-
14:51
15:20
15:48 16:17
Время (часы, мин)
16:46
17:15
Рис. 5. Эксперимент на Тормхонской сейсмодислокации взбросо-сдвигового типа: а — слева приведена схема проведения эксперимента; стрелками отмечено направление естественного смещения берегов, усиленное при виброимпульсной инициации; справа — момент взрывной инициации смещений (Южная Монголия, 2002 г.); б — фрагмент записи смещений, зафиксированных датчиками Fl (горизонтальная компонента) и F2 (вертикальная компонента); на врезке вверху приведена увеличенная запись серии быстрых импульсных смещений в начале второй фазы отклика
рых импульсных подвижек (врезка на рис. 5, б), напоминающих замедленное землетрясение.
Иной результат был получен в другом подобном эксперименте на Могодской сейсмодислокации. Там виб-роимпульсное воздействие было направлено против естественного хода смещения берегов сейсмогенного разрыва. Следствием такого воздействия было резкое замедление и даже проявление обратного хода смещений, противоположного естественному. На рис. 6 показаны записи смещений до и после воздействия и видно, что
после воздействия амплитуды импульсных подвижек заметно уменьшились в результате тормозящего влияния взрывной инициации на естественный режим смещений. Можно констатировать, что в данном испытании в пределах 10-метрового фрагмента разрывной дислокации удалось на некоторое время изменить направленность смещений и снизить активность режима разлома.
Если исходить из гипотезы о том, что колебания берегов разрывов обусловлены прохождением возбужденных упруго-вязкопластических волновых деформаций,
Рис. 6. Записи датчиками Fl (горизонтальная компонента) и F2 (вертикальная компонента) суточного хода смещений берегов Могодской сейсмодислокации (Центральная Монголия, 2002 г.). Можно видеть проявления быстрых импульсных смещений на фоне естественных смещений. После момента взрывной инициации, направленной против естественного хода смещений, амплитуды быстрых импульсов значительно уменьшились на фоне замедления и остановки криповых движений берегов разрыва
инициированных взрывом или вибратором, то тогда можно попытаться оценить некоторые параметры этих волн. Исходя из средней амплитуды быстрых импульсов 0.4 мм и длительности 1 с, нетрудно посчитать среднюю скорость волнового перемещения берега разрыва, которая будет равной 71 км/год. При некоторых вариациях зарегистрированных значений длительности периодов быстрых импульсов в пределах их амплитуд можно получить значения скоростей 125-250 км/год. Простейшие расчеты позволяют оценить и длины волн, фиксируемых в натурных экспериментах, которые по порядку значений исчисляются десятками-сотнями метров. Указанные значения сопоставимы со скоростями так называемых «медленных волн» пока еще не очень ясной физической природы [14, 15].
Таким образом, с помощью датчиков измерительного комплекса «Сдвиг», устанавливаемых в разрывных нарушениях, отличающихся высокой чувствительностью к вибрациям, представляется возможность достаточно простыми средствами фиксировать сравнительно медленные волновые колебания в массивах горных пород и изучать природу и механизмы отклика на вибрационные внешние динамические воздействия.
4. Постановка задачи численного моделирования
Приведенные в статье результаты натурных экспериментов позволяют качественно оценить влияние внешних вибрационных и импульсных воздействий на отклик сейсмоактивных разломов. Тем не менее, полу-
ченных данных о смещении краев разломов недостаточно для выявления механизмов влияния таких воздействий. Поэтому в работе была поставлена задача теоретического изучения особенностей поведения материалов в зоне разлома под воздействием вибрационного нагружения путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов [16, 17]. Данный метод ранее был успешно использован для исследования режимов отклика и разрушения таких геологических сред, как горные массивы, сыпучие грунты и угольные пласты [13, 18-20].
На рис. 7 приведен образец, имитирующий участок разлома (горизонтальный срез). Можно выделить три основных блока рассматриваемой структуры: «левое» и «правое» крылья разлома, а также внутриразломную область, заполненную материалом со свойствами, имитирующими механические характеристики монтмо-риллонитовой глины (размеры моделируемой области уменьшены в ~50 раз по отношению к средним размерам реальных разломов).
Можно видеть, что материал крыльев разлома имеет композитную структуру и состоит из фрагментов, разделенных тонкими прослойками того же состава, что и внутриразломный материал (рис. 7, в). Это отражает тот факт, что геоматериалы имеют гетерогенную внутреннюю структуру и состоят из относительно слабо связанных «зерен» различных материалов. Подобное представление правомерно на разных масштабных уровнях геологических сред [21]. В этом случае геосреда может
Рис. 7. Структура моделируемого образца
быть представлена состоящей из фрагментов с относительно высокой прочностью, разделенных прослойками значительно менее прочного материала1. Используемые в настоящей работе функции отклика подвижных клеточных автоматов приведены на рис. 8.
Необходимо также принять во внимание, что геосреды, как правило, содержат множество микро- и мезо-трещин. В рассматриваемой модели предполагалось, что основная масса повреждений масштаба размера подвижного автомата сосредоточена в менее прочном материале. Наличие таких мезоповреждений моделировалось заданием разрывов связей между автоматами (рис. 9). Трещины меньшего масштабного уровня в граните и глине задавались неявно через функции отклика автоматов.
Следует отметить, что моделируемый блок геологической среды с разломом хотя и является упрощенной моделью, может быть использован в качестве некоторого представительного объема для изучения особенностей отклика и разрушения подобных сложных сред.
Исходное напряженное состояние в моделируемой области разлома достигалось путем предварительного сжатия зоны разлома, как показано на схеме (рис. 10, а). Фоновое относительное смещение краев разлома задавалось путем приложения к внешней границе правого крыла разлома постоянной скорости V0 = 0.5 м/с, вектор которой направлен параллельно линии разлома (рис. 10, б). При этом внешний край левого крыла фиксировался. Таким образом, правое крыло разлома в данном численном эксперименте являлось активным, а левое — пассивным.
Вибрационное воздействие имитировалось периодическим изменением величины скорости нагружения:
V = V0 + VA sin (2nt/T),
где VA — амплитуда изменения скорости; t — время; T— период.
В работе варьировались амплитуда и частота осцилляций величины скорости нагружения. При этом направление вектора скорости оставалось неизменным.
5. Результаты расчетов
Результаты расчетов показали, что вибрационное воздействие может приводить к смене режима и характера отклика разлома.
Влияние частоты вибрации v = T-1 может быть проиллюстрировано результатами расчетов при нагружении с v = 0 (постоянная скорость V0 = 0.5 м/с), v = 15 и 150 кГц. Величина амплитуды изменения скорости была во всех случаях одинаковой и составляла VA = 1 м/с.
500 400
£ 300
6
200 100
Рис. 8. Функции отклика автоматов монтмориллонитовой глины (кри-
вая 1) и материала твердых фрагментов (кривая 2). Пунктирная линия
1 Данная модель была предложена академиком РАН Гольдиным С.В. соответствует разгрузке
Рис. 9. Система межавтоматных связей в моделируемом образце
В процессе нагружения системы в материале, заполняющем разлом, генерируются и накапливаются многочисленные повреждения (рис. 11). Это приводит к тому, что на определенной стадии деформирования исчезает адгезионное сцепление крыльев разлома и сопротивление их относительному движению происходит только за счет силы трения и зацепления элементов контактирующих поверхностей.
На рис. 12 показан рост числа повреждений в материале разлома и в прилегающих блоках в процессе относительного смещения крыльев разлома. Можно видеть, что вибрация с относительно низкой частотой 15кГц не влияет заметным образом на процесс разрушения, который практически локализован в разломе. Так, число повреждений в разломе на порядок превышает число повреждений в объеме блоков. В то же время, десятикратное увеличение частоты приводит к тому, что разрывы связей интенсивно возникают не только в самом разломе, но и в прилегающих блоках (как правило, в прослойках, соединяющих твердые фрагменты), что хорошо видно на рис. 12 (кривые 3). Особенно заметным этот эффект является в начале действия вибрации, когда скорость накопления повреждений в 3-8 раз выше чем
при нагружении с постоянной скоростью. Как результат, разделение крыльев разлома (формирование сквозной трещины в системе) происходит втрое быстрее, чем в отсутствие вибрации.
Причиной столь резкого изменения характера отклика разлома при воздействии вибрации является, по-видимому, ускоренное накопление необратимой деформации в монтмориллонитовой глине, кривая нагружения которой имеет достаточно длинный необратимый участок. Поскольку средняя величина скорости смещения верхнего края активного крыла разлома является постоянной V = 0.5 м/с), величина сдвиговой деформации в системе постоянно нарастает. При достижении предела текучести материала каждый последующий «положительный» полуцикл вибрации вносит свой дополнительный вклад в полную величину локальной пластической деформации. При этом большое значение имеет соотношение частоты колебаний и «инерции» системы. В случае низкой частоты колебаний активное крыло разлома частично успевает «следовать» за изменением скорости нагружения, в результате чего вклад осцилляций в накопление пластических деформации в материале разлома и прослойках блоков невелик. Увеличение час-
(/>
с
о
б
>
+
о
>
II
>
Рис. 10. Схема нагружения: создание исходных напряжений (а); нагружение с постоянной скоростью V) + вибрация (Квибр) (б)
Рис. 11. Структура связей в момент прохождения через разлом (V = 0) (а); увеличенный фрагмент разлома (б)
тоты вибрации приводит к тому, что различные области системы начинают двигаться асинхронно. В результате этого по зоне разлома распространяется большое количество упругих волн, суперпозиция которых значительно ускоряет процесс накопления пластической деформации не только непосредственно внутри разлома, но и во всем объеме. Это приводит к генерации повреждений как внутри активного крыла разлома, так и (в меньшей степени) в объеме пассивного крыла.
Для иллюстрации влияния амплитуды вибрации на отклик среды в области разлома приведены результаты расчетов при тех же значениях частоты (V =15 и 150кГц), но с увеличенной в 4 раза амплитудой осцилляций скорости нагружения.
Отметим, что в обоих случаях увеличение амплитуды привело к более интенсивному разрушению монт-мориллонитовой глины (рис. 13) и ускорению процесса разделения крыльев разлома.
В то же время, изменение амплитуды не повлияло на характер разрушения. Так, при «низкой» частоте вибрации разрушение локализуется, в основном, внутри разлома, в то время как при «высокой» частоте интен-
Смещение, м
сквозной трещины при нагружении с постоянной скоростью
сивно разрушаются прослойки между жесткими фрагментами блоков (рис. 13, б и 14). Таким образом, амплитуда вибрации определяет интенсивность накопления локальной необратимой деформации. Следует также отметить, что эффект от изменения амплитуды может быть существенно нелинейным. Более того, поскольку рассматриваемая система является достаточно «инерционной», то рассогласование движения нагружающей границы и остальной части системы может достигнуть такой степени, когда вклад в необратимую деформацию будут давать и отрицательные полуциклы вибрации.
Одним из проявлений качественного изменения характера отклика и разрушения материала разлома при воздействии высокочастотной вибрации является «сброс» силы сопротивления относительному смещению краев разлома (рис. 15). При этом, увеличение амплитуды осцилляций приводит к более резкому характеру сброса сдвиговых напряжений. Описанный эффект связан, по-видимому, с тем, что в результате быстрого возникновения многочисленных повреждений в объеме блоков резко уменьшается внутренняя жесткость системы. Как следствие, падает и сила сопротивления де-
Смещение, м
Рис. 12. Зависимость числа повреждений в разломе (а) и в объеме блоков (б) от величины относительного смещения крыльев разлома ^А = 1 м/с): V = 0 (1), 15 (2) и 150 кГц (3)
/ШЩШш -г.<
дуду/У К X>’ К X \ X )■ X У />
-г’ ^7- ?Ж5ш5^а -
Рис. 13. Структура связей в момент разделения крыльев разлома при VА = 4 м/с и V = 150 кГц (а); увеличенный фрагмент правого блока (б)
формированию. Отметим также, что резкое уменьшение силы сопротивления не связано с разделением крыльев разлома, поскольку предшествует ему.
В реальных системах столь резкое падение сопротивления может привести к тому, что под действием высоких внутренних напряжений активный край разлома начнет ускоряться до тех пор, пока не встретит новое препятствие. Резкая остановка «разогнавшегося» крыла разлома может привести к серьезным последствиям, в том числе сильным землетрясениям.
Необходимо отметить, что в проведенных расчетах был использован динамический режим нагружения (е0 = V0/L ~ 20), в то время как в случае лабораторных и натурных экспериментов характерные скорости деформирования были на несколько порядков ниже (е0 ~ ~ 10-3). Этим и определяется выбор частоты вибрации. Тем не менее, полученные результаты моделирования позволяют качественно оценить степень и механизмы влияния вибрационных воздействий на отклик таких сложных геологических систем, как зона тектонических сейсмоактивных разломов.
6. Обсуждение результатов
Полученные с помощью экспериментов результаты требуют дальнейших уточнений. Тем не менее, уже на данном этапе исследования можно констатировать, что инструментально зарегистрированные особенности деформационного поведения горных пород и модельного материала при вибрационном воздействии следует рассматривать как явление закономерное, но еще мало понятное. В какой-то мере этот феномен может быть объяснен, например, особым поведением механических систем при вибрациях, обнаруженным в 80-х годах академиком В.Н. Чаломеем [22]. В его работе описаны парадоксальные явления, обнаруженные в разных экспериментах с вибрирующими жидкостями и твердыми телами. В одних экспериментах вертикально стоящий цилиндрический сосуд с жидкостью и погруженным в нее шаром, превышающим удельный вес жидкости, подвергался вертикальной вибрации. После достижения определенной интенсивности колебаний шар в сосуде всплывал. В других экспериментах аналогичным образом вели себя незакрепленные шайбы на вертикальном
Смещение, м
0 2-10"4 4-10"4 6-10"4 8-10"4 МО'3
Смещение, м
Рис. 14. Зависимость числа возникших повреждений в разломе (а) и в блоках (б) от величины относительного смещения крыльев разлома (УА = 4 м/с): V = 0 (1), 15 (2) и 150 кГц (3)
вибрирующем стержне с шаровой опорой. Хотя, с точки зрения классической механики, центр тяжести механической системы всегда стремится занять то устойчивое положение, при котором его потенциальная энергия минимальна, в проведенных экспериментах вопреки общеизвестному принципу наблюдался противоположный результат. Механическая система в условиях вибровоздействия занимала устойчивое положение с потенциальной энергией, близкой к максимальному значению.
Мы склонны считать, что аналогичный эффект проявлялся и в проведенных нами экспериментах. Использованный нами модельный материал — водная глинистая паста — на микромасштабном уровне представляет собой структурно-неоднородную среду, состоящую из глинистых минералов. Различные форма, размеры и удельный вес минеральных частиц обеспечивают им разную степень подвижности за счет приобретенной в процессе вибровоздействия кинетической энергии. Существовавшие ранее силы сцепления между ними нарушаются, что приводит к резкому падению вязкости среды, соответствующей вязкости предельно нарушенной структуры. Изменение вязкости в таких случаях может составлять несколько десятичных порядков. Механизм этого процесса для условий простого механического деформирования описан в работе [23]. Одновременно с падением вязкости происходит изменение и других реологических параметров среды. Таким образом, вибровоздействие на модельный материал приводит к изменению его механических свойств, к снижению степени сопротивляемости внешней нагрузке, что и находит отражение на экспериментальных кривых.
Другая причина, способствующая в условиях вибровоздействия снижению нагрузки, необходимой для деформирования модельного материала, возможно, кроется в характере динамики его разрушения. Этот процесс протекает стадийно и однонаправлено посредством генерации в материале многочисленных мелких разрывов, их избирательного роста и объединения в более крупные, но малочисленные разрывы с последующей их трансформацией в единый сложно построенный магистральный шов [24]. При кажущейся хаотичности в распределении разноранговых разрывов их эволюция идет по пути формирования закономерно построенных фрактальных кластеров разной масштабной иерархии. Объем деформируемого материала, занятый кластером, достигшим в своем развитии определенной степени структурного совершенства, начинает сопротивляться внешнему воздействию, превращаясь в своеобразное «жесткое включение». Резкое изменение реологических параметров деформируемой среды в условиях вибровоздействия приводит к общему снижению ее деформационной сопротивляемости, в том числе и за счет перестройки таких кластеров с потерей их функций «жесткости».
2-10"4 4-10"4 6-10"4 8-10"4
Смещение, м
Рис. 15. Зависимость силы сопротивления движению правого блока от величины относительного смещения крыльев разлома: V = 0 (1), 150 кГц (2, 3), VA = 1 (2) и 4 м/с (3)
Исходя из полученных результатов различных полу-натурных экспериментов также можно сделать несколько следующих заключений по поводу проведенного исследования влияния виброимпульсного воздействия на разломы. Используя эффект направленного взрывного воздействия на разлом через деформации пород в сочетании с вибрационным воздействием, которое снижает трение в зоне, авторам на конкретных природных разрывных нарушениях в виде сейсмодислокаций катастрофических землетрясений удалось получить два результата. В одном случае резко убыстрить смещение берегов сейсмодислокации (Тормхонский эксперимент), а в другом не только замедлить, но и вызвать обратную направленность их смещения (Могодский эксперимент). Соответственно в первом случае была вызвана некоторая разрядка напряженно-деформированного состояния в массиве горных пород, а в другом — замедление разрядки и увеличение концентрации напряжений, т.е. повышение энергетического потенциала массива, пропорциональное мощности импульсной инициации. Таким образом, в зависимости от расположения источника виброимпульсной инициации по отношению к разлому, его энергии и направленности излучения колебаний удалось осуществить регулирующее воздействие на скорость и направление смещений берегов изучаемых разрывных нарушений, а также и на режим излучения собственных волновых колебаний.
7. Заключение
Проведенные эксперименты, особенно в 2002 году, и результаты численного моделирования подтверждают сделанный ранее важный вывод. Он заключается в том, что путем проведения техногенных виброимпульсных воздействий на высоконапряженные участки разломов можно существенным образом влиять на ход их естественного режима смещений с целью высвобождения накопленных деформаций и потенциальной энергии.
Название подземного ядерного взрыва, дата, номер линии на графике
Грили, 20.12.1966, 1 Бокскар, 26.04.1968, 2 Дьюрайа, 14.04.1966, 3 Фолтлесс, 18.01.1968, 4 Кордирой, 01.12.1965
ш
с
ГО
5
<
500
1000
1500 2000 2500
Расстояние от эпицентра, м
3000
3500 4000
Pto. 16. Гpaфики зaвиcимocти cпaдaния aмплитyд иницииpoвaнныx cмeщeний в paзлoмax oт paccтoяния дo ^точни^ инициaции: пo дaнным o ^дземньк ядepныx взpывax (a); пo peзyльтатам нaтypныx экcпepимeнтoв (б). Macштaбнoe пoдoбиe peaкции paзлoмoв нa взpывы paзнoй мoщнocти yкaзывaeт нa cxoдcтвo мexaнизмoв инициaции cмeщeний
В настоящее время существенные результаты достигнуты в экспериментах на небольших разломах при уменьшенном масштабе воздействий. В то же время, необходимо отметить явное подобие по степени и механизмам виброимпульсного воздействия на разломы между инициирующими воздействиями различных масштабов мощности. Это можно видеть, в частности, на рис. 16, где представлены данные о воздействии на разломы небольших химических взрывов и мощных подземных ядерных взрывов в американском штате Невада [25-27].
Очевидно, что при переходе на естественные крупномасштабные объекты неизмеримо возрастут трудности осуществления такого рода проектов. Поэтому для подобного перехода потребуется дальнейшее проведение разного рода натурных и численных экспериментов, а также создание физических основ для разработки методов техногенного регулирования движений в сейсмо-опасных фрагментах зон разломов.
Второй вывод касается влияния вибрационных воздействий на зоны потенциально опасных разрывных нарушений. Так, результаты численного моделирования методом МСА наглядно демонстрируют, что вибрация может изменять режим отклика и состояние не только самого разлома, но и прилегающих областей. При этом определяющая роль принадлежит не амплитуде вибрации, а частоте. Амплитуда индуцированных колебаний влияет главным образом на скорость смены характера отклика системы. При этом, слишком интенсивное
воздействие может вызвать опасные (скачкообразные) изменения, последствия которых могут быть катастрофическими. Таким образом, становится возможным разрабатывать новые технологии управления высвобождением накопленной потенциальной энергии недр, среди которых ведущая роль будет принадлежать не взрывным технологиям, а новым сейсмовибрационным методам. С их помощью станет возможным фокусировать и направлять энергию дозированных техногенных вибраций на определенные участки зон потенциально опасных разломов.
Очевидна также необходимость дальнейшего экспериментального и теоретического изучения тонких особенностей механизмов тектонических процессов накопления и высвобождения потенциальной эндогенной энергии недр через возбуждение смещений в сейсмо-опасных зонах.
Исследования проводились при поддержке грантов РФФИ (проект № 01-05-64482), Фонда содействия отечественной науке, Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ «Научная школа академика В.Е. Панина» № 00-15-96174 и CRDF, а также на средства Интеграционного проекта СО РАН № 77-2000.
Литература
1. Николаев Н.И. О состоянии изученности проблемы возбужденных землетрясений, связанных с инженерной деятельностью // Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. - М.: Наука, 1977. - С. 8-21.
2. Дук А.Е., Шхинек К.Н. О взаимодействии продольной волны с конечным разрезом в упругой среде // Известия АН СССР. Физика Земли. - 1985. - № 9. - С. 18-22.
3. Николаев А.В., Верещагина Г.М. Об инициировании землетрясений
землетрясениями // ДАН СССР. - 1991. - Т. 318. - № 2. - С. 320324.
4. Адушкин В.В., Спивак А.А., Дубиня М.Г. Сейсмические явления, наведенные подземным ядерным взрывом // Наведенная сейсмичность. - М.: Наука, 1994. - С. 199-204.
5. Виноградов С.Д., ТроицкийП.А., СоловьевМ.С. Рассеяние продоль-
ных и поперечных волн на единичной трещине // Известия АН СССР. Физика Земли. - 1995. - № 5. - С. 73-76.
6. Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В. Влияние ядерных взрывов на сейсмический режим // ДАН СССР. - 1995. - Т. 343. - № 4. - С. 543-546.
7. Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны // Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. -145 с.
8. НиколаевА.В. О возможности снижения опасности инициирования
сильного землетрясения // Память и уроки Нефтегорского землетрясения. Сб. докл. совещ. 24-25 мая 2000 г., Южно-Сахалинск. -М.: Полтекс, 2000. - С. 93-95.
9. ПетуховИ.М., БатугинаИ.М. Геодинамика недр. - М.: Недра ком-
мюникейшенс ЛТД, 1999. - 287 с.
10. Ружич В.В., Трусков В.А., ЧерныхЕ.Н., Смекалин О.П. Современные движения в зонах разломов Прибайкалья и механизмы их инициирования // Геология и геофизика. - 1999. - Т. 40. - № 3. -С.360-372.
11. Ружич В.В., ПономаревЕ.А., ЧерныгхЕ.Н. Пассивный и активный мониторинг движений в зонах разломов Прибайкалья // Матер. Межд. геофиз. конф. «Сейсмология на рубеже тысячелетий», 2729 сент. 2000 г. - Новосибирск: ОИГГиМ СО РАН, 2000. - С. 98201.
12. Ружич В.В., СеменовР.М., Мельникова В.И., Смекалин О.П., Алак-шин А.М., Чипизубов А.В., Аржанников С.Г., Емельянова И.А., Демьянович М.Г., Радзиминович Н.А. Геодинамическая обстановка в районе Южнобайкальского землетрясения 25.02.1999 года и его характеристика // Геология и геофизика. - 2002. - Т. 43. - № 5. -С. 470-483.
13. Псахье С.Г., Ружич В.В., Смекалин О.П., Шилько Е.В. Режимы отклика геологических сред при динамических воздействиях // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 67-71.
14. Уломов В.И. Синоптический долгосрочный прогноз сейсмической обстановки // ДАН УзССР. - 1987. - № 6. - С. 47-48.
15. HeecKuu M.B., ApmaMOHOS A.M., Pu3HuneHK0 O.W. BonHbi ae^op-MauHH h 3HeprerHKa cchcmkhhocth // AAH CCCP. - 1991. - T. 318.— № 2. — C. 316—320.
16. ncaxbe C.r,^MumpueeA.H., fflmbKO E.B., Cmojiuh A.&., Kopocme-jee C.№. MeToa no^BH^Hbix KneTOHHbix aBTOMaTOB KaK H0B0e Ha-npaB^eHHe ^HCKpeTHOH BblHHCnHTenbHOH MexaHHKH. I. TeOpeTHHeC-
Koe onHcaHHe // Oh3. Me30Mex. — 2000. — T. 3. — № 2. — C. 5—15.
17. Psakhie S.G., Horie Y, Ostermeyer G.P., Korostelev S.Yu., Smo-linA.Yu., Shilko E.V., Dmitriev A.I., Blatnik S., Spegel M., Zavsek S. Movable cellular automata method for simulating materials with me-sostructure // Theor. and Appl. Fracture Mech. — 2001. — V. 37. — No. 1—3. — P. 311—334.
18. Ruzhich VV, Smekalin O.P, Shilko E.V, Psakhie S.G. About nature of “slow waves” and initiation of displacements at fault regions // Proc. Int. Conf. on New Challenges in Mesomechanics-2002. — V. 1.— P. 311—318.
19. Psakhie S.G., ZavshekS., Jezershek J., et al. Computer-aided examination and forecast of strength properties of heterogeneous coal-beds // Computational Materials Science. — 2000. — V. 19. — No. 1—4. — P. 69—76.
20. rojibduH C.B., ncaxbe C.P, ftMumpuee A.H., №muh B.H. nepeyna-
KOBKa CTpyKTypbl H B03HHKH0BeHHe nO^'beMHOH CH.nbI npH aHHaMH-HecKOM Harpy^eHHH cbinyHHx rpyHTOB // Oh3. Me30Mex. — 2001. — T.4. — № 3. — C. 97—103.
21. CmpyKmypbi h TeKCTypbi H3Bep^eHHbix h MeTaMOp^HHecKHx ropHbix nopoa. Axnac b 2 TOMax. — M.: Heapa, 1966.
22. HajOMeu B.H. napaaoKCbi b MexaHHKe, Bbi3biBaeMbie BH6pauH^MH // ^AH CCCP. — 1983. — T. 270. — № 1. — C. 62—67.
23. MuxaujoeH.B., PeduHdepn.A. CTpyKTypHO-MexaHHHecKHe CBOHCTBa aHcnepCHbix CHCTeM // KonnoHaHbiH ^ypHan. — 1955. — T. 12. — № 2. — C. 106—119.
24. E0pHHK0e C.A. ^HHaMHKa pa3BHTH3 aecTpyKTHBHbix 30H Me^nnHT-Hbix rpaHHU (pe3ynbTaTbi MoaenHpOBaHHa) // TeonorHa h reo$H3HKa. — 1988. — № 6. — C. 3—10.
25. Boucher H., RyallA., Jones A.E. Earthquakes associated with underground nuclear explosions // Journal of Geophysical Research. — 1969. — V. 74. — No. 15. — P. 3808—3820.
26. McKeown F.A., Dickey D.D. Fault displacements and motions related to nuclear explosions // Bulletin of the Seismological Society of America. — 1969. — V. 59. — No. 6. — P. 2253—2269.
27. Kisslinger C. A review of theories of mechanisms of induced seismisity // Engineering Geology. — 1976. — V. 10. — P. 85—98.
Investigation of effect of vibratory impulsive actions on displacement mode in zones of seismic active faults
V.V. Ruzhich, S.G. Psakhie1, S.A. Bornyakov, O.P. Smekalin, E.V. Shilko1, E.N. Chernykh, V.V. Chechelnitskii, and S.V. Astafurov1, 2
Institute of the Earth Crust, SB RAS, Irkutsk, 664033, Russia 1 Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
2 Tomsk State University, Tomsk, 634050, Russia
The paper presents the results of experimental and theoretical investigations into the influence of vibratory impulsive actions on a displacement mode in the zones of seismically hazardous faults. Environmental experiments were carried out with the use of the measuring complex “Sdvig”. The systematic studies provided data on high vibration sensitivity of faults to external dynamic actions, such as explosions, impacts of shock machines and vibrations from various mechanisms. The effect of the two-phase response of faults on such actions was revealed. The study of this phenomenon allowed extending the present knowledge about the complicated elastic-plastic response of fractured geological media on external low-magnitude vibrations. Numerical simulation by the MCA-method gave an insight into the nature and mechanisms of the effect of external vibratory impulsive actions on a displacement mode. It was shown that such actions could change the state of the fault itself as well as surrounding zones. In 2002 environmental experiments were performed on seismic dislocations induced by a violent earthquake in Mongolia. The experimental results confirmed the conclusion that it is possible to control displacement modes in the zones of seismically hazardous faults with the use of the seismic vibratory methods.
