Влияние неоднородности фрикционных свойств интерфейса на динамику распространения разрыва и излучение сейсмических волн

Влияние неоднородности фрикционных свойств интерфейса на динамику распространения разрыва и излучение сейсмических волн

Конкурс РНФ 2021 года:

«Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Проект № 22-27-00565

«ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИНТЕРФЕЙСА НА ДИНАМИКУ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАЗРЫВА И ИЗЛУЧЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН»

Сроки выполнения проекта

2022-2023

Отрасль знаний

Науки о Земле

Руководитель проекта

к.ф.-м.н. Кишкина Светлана Борисовна

Название организации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук

Объем финансирования

3 млн. рублей

Аннотация

Целью проекта является исследование закономерностей распространения разрыва и излучения сейсмических волн при подвижке по разлому, магистральный сместитель которого на разных участках выполнен геоматериалом с разными фрикционными свойствами. Такое строение сейсмогенных разрывов характерно для очагов неглубоких тектонических землетрясений. Неоднородность фрикционных свойств может вызвать как локальные увеличения скорости распространения разрыва вплоть до значений превышающих скорости распространения поперечных волн во вмещающем массиве (так называемый “режим supershear”), так и замедление вплоть до остановки. Механика и закономерности этих процессов исследованы недостаточно, хотя они оказывают сильное влияние как на параметры высокочастотных сильных движений грунта в ближней зоне землетрясения, так и на макроскопические параметры очага. Понимание механики различных режимов скольжения по разломам может помочь разобраться в некоторых определяющих деталях зарождения и развития крупных землетрясений, и, следовательно, оказаться полезным при разработке методов прогноза землетрясений и методов интерпретации данных космической геодезии. Существенное значение закономерности развития динамических разрывов вдоль разломных зон имеют и для горных наук.

Новизна предлагаемых исследований заключается в том, что в рамках проекта впервые будут детально, теоретически и экспериментально исследованы закономерности влияния неоднородности фрикционных свойств интерфейса на динамику распространения разрыва, в том числе на формирование режима supershear и на параметры излучаемой волны. Предполагается изучение закономерностей распространения разрыва в двух направлениях: в лабораторном эксперименте и путем численного моделирования. Важнейшим является намерение исследовать влияние размеров и относительной плотности участков со свойствами фрикционного разупрочнения (снижение трения по мере роста скорости и/или перемещения берегов интерфейса).

при поддержке

Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы – определение закономерностей зарождения и развития процессов динамической неустойчивости в разломах земной коры.

Цель проекта – исследовать закономерности распространения разрыва и излучения сейсмических волн при подвижке по разлому, магистральный сместитель которого на разных участках выполнен геоматериалом с разными фрикционными свойствами. Судя по результатам геолого-геофизических исследований, выполненных в последние 15-20 лет на эксгумированных фрагментах сейсмогенных разломов и данным глубинного бурения разломных зон, такая ситуация весьма распространена в очагах неглубоких тектонических землетрясений.

Задачами проекта являются

2D численное исследование влияния относительного расположения и свойств участков интерфейса с различными фрикционными характеристиками на динамику распространения разрыва и излучение сейсмических волн

Изучение закономерностей распространения разрыва в лабораторном эксперименте.

Разработка феноменологической модели явления.

Интерпретация данных геодезических и сейсмологических наблюдений на основе разработанной модели.

Решение поставленных задач позволят достичь цели проекта – получить новые фундаментальные знания о закономерностях распространения разрыва и излучении сейсмических волн при подвижке по разлому, магистральный сместитель которого на разных участках выполнен геоматериалом с разными фрикционными свойствами.

Важность, масштаб и общественная значимость решаемой задачи определяются тем, что одной из проблем, регулярно привлекающей широкое внимание, является возможность прогноза ущерба в ближней зоне природных и природно-техногенных сейсмических событий, приносящих значительный экономический ущерб. Хотя совершенствование собственно методов прогноза не является задачей проекта, понимание механики вариации режимов распространения динамических разрывов на интерфейсах с неоднородной поверхностью, может помочь разобраться в важных деталях процессов деформирования и, следовательно, оказаться полезным и при разработке методов прогноза. Полученные результаты позволят продвинуться и в понимании возможностей осознанного контроля деформационных процессов при ведении горных работ.

при поддержке

Основными методами исследований, планируемых в проекте, будут лабораторные и численные эксперименты, в которых планируется изучить фундаментальные закономерности распространения разрыва и излучение сейсмических волн при подвижке по разлому, магистральный сместитель которого на разных участках выполнен геоматериалом с разными фрикционными свойствами.

Пожалуй, важнейшим является намерение исследовать влияние размеров и относительной плотности участков со свойствами разупрочнения (VW) (снижение трения по мере роста скорости и/или перемещения берегов интерфейса). В рамках распространенной модели Rate & State friction, именно на таких участках, между которыми располагаются области скоростного упрочнения (VS) или с постоянным трением (VC), может возникать динамически неустойчивое скольжение. Между участками разупрочнения скорость распространения разрыва и скорость скольжения снижается, вновь увеличиваясь на соседних пятнах. Такие зоны разупрочнения часто ассоциируют с «запертыми» участками разлома или "asperities".

Численно будут решаться задачи, связанные с распространением разрыва по границе, разделяющей два полупространства со свойствами, соответствующими скальной породе. Как отмечалось выше (п.4.5), существует множество работ, в которых численно моделируется процесс распространения динамического разрыва вдоль шероховатого контакта. Мы планируем использовать модель плоского контакта, фрикционные характеристики которого будут разными на различных участках (чередование участков VS, VW или VC). Фрикционное взаимодействие будет описываться как в рамках Кулоновского трения, так и с использованием модифицированной модели “Rate and State” с учетом вязкого трения. Моделирование будет выполняться с помощью отработанных программных комплексов, реализованных в рамках двумерного вычислительного кода, созданного на основе лагранжева численного метода "Тензор". Численные коды были адаптированы к задачам геомеханики в лаборатории «Деформационных процессов в земной коре» ИДГ РАН и хорошо зарекомендовали себя, в том числе при исследовании кинематических характеристик процесса скольжения блока по шероховатой поверхности. Основное внимание будет уделено исследованию влияния относительного расположения и свойств участков интерфейса с различным трением на динамику распространения разрыва, особенно в режиме supershear, и излучение сейсмических волн.

Лабораторные эксперименты будут проводиться на созданной в ИДГ РАН в 2020г. установке для исследования закономерностей сдвига по лабораторному разлому. Отличительной особенностью установки является размер сдвигаемых блоков (длина 80 см), возможность дифференциального приложения разных нормальных усилий к разным участкам разлома, оснащенность современным измерительным оборудованием (акселерометры, лазерные датчики перемещения, индукционные датчики перемещения, вихретоковые датчики перемещения, аппаратура для регистрации акустической эмиссии, тензометрическая аппаратура). Установка используется для одновременного выполнения исследований по нескольким научным проектам. Для задач предлагаемого исследования существенным является то обстоятельство, что возможности установки позволяют варьировать по площади разлома как напряженное состояние, так и в широких пределах фрикционные свойства контакта. Такая постановка эксперимента обладает очевидной новизной.

Мы надеемся, что результаты, полученные в лабораторных и численных экспериментах, позволят создать феноменологическую модель явления ускорения и замедления разрыва на участках с разными фрикционными свойствами. Эта модель будет использована для интерпретации доступных данных GPS наблюдений и параметров разрывов в таких областях, как субдукционная зона Чили, Японский желоб, Суматранская зона и др., где по данным космической геодезии определяется коэффициент сейсмической эффективности (seismic coupling). Предполагается, что в районе asperities, где разлом заперт в межсейсмический период все перемещение набирается за счет подвижки при землетрясении. В окружающей области скольжение условно стабильно (скольжение стабильно при квазистатической нагрузке, но может стать нестабильным при динамической нагрузке выше определенной величины), а коэффициент сейсмической эффективности меньше единицы. На участках крипа, где крупных землетрясений нет, величина коэффициента невелика. Исходя из предположения, что зоны высокой сейсмической эффективности представляют собой VW участки, мы планируем сопоставить их размеры и местоположение с очаговыми параметрами соответствующих землетрясений и данными о длине и динамике разрыва.

при поддержке

2022 г.

Целью проекта является исследование закономерностей распространения разрыва и излучения сейсмических волн при подвижке по разлому, магистральный сместитель которого на разных участках выполнен геоматериалом с разными фрикционными свойствами. Подобное строение сейсмогенных разрывов характерно для очагов неглубоких тектонических землетрясений. Неоднородность фрикционных свойств может вызвать замедление вплоть до остановки или наоборот локальные увеличения скорости распространения разрыва, вплоть до значений, превышающих скорости распространения поперечных волн во вмещающем массиве. Землетрясения, при которых скорость распространения разлома выше, чем скорость сейсмических сдвиговых волн, называют «быстрыми» или «сверхзвуковыми» (так называемый “режим supershear” или сверхсдвиговый режим). Эти события редки, но они могут быть очень разрушительными из-за связанного с ними сильного сотрясения грунта.

Понимание того, как и почему они происходят, может развить представления о механике разломов. Механика и закономерности этих процессов исследованы недостаточно, хотя они оказывают сильное влияние как на параметры высокочастотных сильных движений грунта в ближней зоне землетрясения, так и на макроскопические параметры очага.

В результате анализа литературных источников в ходе выполнения проекта были определены параметры разрыва, а также оценены размеры зон asperities и их расположение на поверхности разлома. Использование развитых сейсмических методов регистрации и обработки данных позволяет современным исследователям локализовать источники небольших событий с высокой точностью, что сделало возможным выявление «повторных» землетрясений, которые разрывают разлом практически в одном и том же месте. Для таких событий характерна близость магнитуд и форм сигнала, постоянство рекуррентного времени. Для сейсмических событий относительно небольшого размера с магнитудой до 4.5-5 имеются данные о кластеризации очагов, которые позволили предположить, что в таких случаях землетрясения – это результат подвижки одного и того же разлома/фрагмента разлома. Для крупных землетрясений модель разрыва строится, исходя из имеющихся данных о параметрах сильных движений в ближней зоне, результатов регистрации сейсмических волн на региональных и телесейсмических расстояниях и/или геодезических данных (радарной спутниковой интерферометрии InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar или данных GPS). Параметры разрывов, размеры зон asperities и их расположение на поверхности разлома были были оценены с опорой на эти предположения.

В результате анализа имеющихся данных по исследованию фрикционных характеристик природных геоматериалов, в том числе извлеченных из магистральных частей сейсмогенных разломов при глубинном бурении, показано, что сильная неоднородность структуры, присущая разломам, определяет существование в одной разломной зоне как “сильных”, так и “слабых” участков. Были использованы литературные данные исследований эксгумированных участков зон сейсмогенных разломов и кернов, извлеченных при бурении зон разломов, а также результаты, ранее полученные специалистами ИДГ РАН (включая члена исследовательской группы Г.А. Гридина) и ИЗК СО РАН при исследовании структуры и вещественного строения Приморского разлома Байкальской рифтовой зоны.

На “сильных” участках деформация, как правило, сильно локализована. Разломная глинка трения обладает относительно большим базовым коэффициентом трения (μ>0.5) (кварц, полевой шпат, каолинит и др.), который слабо снижается при обводнении контакта. Материал глинки трения на таких участках, в зависимости от P-T условий, скорости нагружения и амплитуды сдвига, демонстрирует как скоростное упрочнение (VS, рост трения с увеличением скорости сдвига), так и скоростное разупрочнение (VW, снижение трения с ростом скорости сдвига). Реализация VW режима приводит к возможности возникновения динамической нестабильности.

На “слабых” участках ядро разлома представляет собой взаимосвязанные, многократно пересекающиеся зоны сдвига, богатые филлосиликатами — глинистыми минералами, происходящими из различных протолитов. Филлосиликаты, как правило, имеют заметно более низкий коэффициент трения (вплоть до μ ~0.18–0.25), по сравнению с кварцсодержащими заполнителями. Еще более радикально различие фрикционных свойств между кварцевым заполнителем и филлосиликатами проявляется при насыщении флюидом. Коэффициенты трения таких материалов, как монтмориллонит, лизардит, смектит при насыщении уменьшаются в разы. Для заполнителей содержащих, “слабые” минералы, часто характерен эффект VS трения. Т.е. малопрочные участки разлома стабилизируют скольжение, подавляя динамическую неустойчивость. В слабых глинках трения увеличение водонасыщенности стабилизирует скольжение.

Вполне вероятно, что “сильные” участки разломов соответствует зонам, называемым в сейсмологии асперити (“asperity”), т.е. областям накопления напряжений в межсейсмический период, которые по некоторым данным занимают около 20-30 % от площади разрыва.

В результате числовых расчетов продемонстрировано, что характерные размеры фрикционных неоднородностей на плоскости скольжения в значительной степени определяют особенности распространения динамического разрыва: взаимодействие областей с разными фрикционными свойствами может приводить к возникновению таких эффектов, как переход к сверхсдвиговому режиму, возникновение динамических импульсов скольжения, которые повторно разрушают ранее сдвинутые в процессе крипа участки разлома, торможение разрыва.

Судя по результатам расчетов, генерация сверхсдвигового разрыва наиболее вероятна на шероховатых/волнистых участках контактных поверхностей с близко расположенными зонами фрикционного разупрочнения. При этом распространение такого разрыва с затухающей амплитудой смещения может быть устойчиво на локально более гладких участках.

Серии лабораторных экспериментов, проводимые в рамках настоящего гранта были направлены на отработку методики реализации в опытах с гетерогенным контактом различных режимов скольжения: крипа, непродолжительных событий медленного скольжения, регулярного стик-слипа. Зона скольжения представляла собой контакт скальных поверхностей, трещину заполненную различными заполнителями (кварцевый песок, гранитная крошка, различные глины, их однородные смеси и расположение в виде областей с разными свойствами) и прочные пятна из цементно-песчаной смеси, соединяющие поверхности блоков. В экспериментах реализованы все требуемые режимы скольжения, однако пока не удалось измерить скорость распространения разрыва при регулярном стик-слипе. По предварительным оценкам в проведенных опытах она оказывается заметно ниже скорости распространения поперечных волн в блоках.

2023 г.

Землетрясения, при которых скорость распространения разлома выше, чем скорость сейсмических сдвиговых волн, называют «быстрыми», «сверхсдвиговыми» или «сверхзвуковыми» (так называемый “режим supershear”). Эти события редки, но они могут быть очень разрушительными из-за связанного с ними сильного сотрясения грунта. На основе анализа накопленных в последние годы сведений о распространении таких сверхсдвиговых разрывов при землетрясениях, а также результатов анализа доступных сведений о структуре деформационных процессов в очаговых зонах землетрясений, был создан тестовый программный код численного моделирования распространения разрыва. Созданный программный код позволяет выполнить моделирование процесса распространения разрыва не только вдоль однородного контакта, но и для гетерогенной поверхности модельного разлома.

В 2023 году была продолжена отладка созданного программного кода; проведены численные расчеты, определяющие условия возникновения режима сверхсдвига. Расчеты проводились в плоской постановке как для однородной, так и для гетерогенной поверхности модельного разлома. В расчетах с гетерогенной поверхностью разлома неоднородность формировалась в виде разной зависимости трения от скорости скольжения разлома. Поверхность скольжения моделировалась набором участков двух типов: участков, для которых характерно быстрое фрикционное разупрочнение контакта при сдвиге, и пассивных участков – участков фонового напряжения с постоянным уровнем сопротивления сдвигу. Это соответствует типичной ситуации, наблюдаемой во многих тектонических условиях, когда в «межсейсмический» период потенциально активные участки (асперити) зафиксированы и не испытывают перемещения, а пассивные участки находятся в состоянии медленного крипа. Подобная постановка опирается на модель асперити (asperities), предложенной

Константы для численной модели подбирались на основе анализа литературных и полевых данных о фрикционных характеристиках геоматериалов, слагающих зоны магистральных разрывов.

Одним из ключевых параметров, характеризующих напряженное состояние контакта, является параметр S, который представляет собой отношение величины напряжения ∆τ, которую необходимо набрать для достижения пиковой фрикционной прочности, к величине падения напряжения. Фактически, S является безразмерной мерой прочности разлома. При значениях S ≥ 1.8 скорость разрыва остается ниже скорости волны Релея и переход разлома в режим сверхсдвигового распространения не происходит. В серии расчетов 2023 года параметр S варьировался в диапазоне 0.4 < S < 0.8, т.е. моделировалось скольжение для относительно “слабых” разломов.

Проведенные численные эксперименты подтвердили существование двух различных механизмов, управляющих переходом в сверхсдвиговый режим, который характеризуется скоростью распространения разлома, превышающей скорость создаваемых сейсмических сдвиговых волн. В текущих расчетах основное внимание было уделено сценариям развития разрыва при значениях параметра S в диапазоне 0.4<S<0.8, что соответствует так называемым “слабым” разломам. Результаты продемонстрировали, что при таких значениях меры прочности разлома S скорость разрыва непрерывно увеличивается от субрелеевской до скорости сдвиговой волны и быстро превышает её без какого-либо скачка: разлом плавно переходит в сверхсдвиговый режим. В этом случае разрыв после старта постепенно ускоряется, проходит гладко через диапазон скоростей распространения CR < Cf < CS, считавшийся ранее невозможным, и приближается к скорости распространения продольной волны CP. Причем скорость волны сжатия CS достигается за очень короткое время.

Если для относительно “слабых” разломов переход в сверхсдвиговый режим происходит вскоре после зарождения, то для более “прочных” или “сильных” разломов, – когда величина параметра S находится в диапазоне 0.9 ≤ S ≤ ~1.77, – переход к сверхсдвиговому режиму происходит чуть дольше: сначала инициируется дочерний разрыв, скорость которого превышает диапазон скоростей релеевской волны до скорости сдвиговой волны, а материнский разрыв продолжает распространяться со скоростью ниже релеевской и только затем сливается с дочерним разрывом. Как и любое моделирование, приведенная выше расчетная задача решалась с использованием целого ряда допущений. Расчет двумерного случая, использование линейного закона ослабления скольжения, моделирование разломной зоны как плоскости существенно упрощает процесс распространения разрыва. Однако анализ даже таких идеализированных модельных сценариев скольжения по разлому помогает вычленить определяющие детали зарождения и развития крупных землетрясений и, соответственно, существенно повышает уровень понимания особенностей распространения динамических разрывов и излучения сейсмических волн.

Лабораторные эксперименты проводились на установке двухосного нагружения RAMA. Установка была создана в ИДГ РАН для исследования закономерностей сдвига по лабораторному разлому и оперирует уникальными для России размерами блоков (80 см). В экспериментах 2023 года была использована возможность заполнять поверхность скольжения различными материалами, что, в свою очередь, позволило реализовать в лабораторных опытах широкий диапазон режимов деформирования: от стабильного скольжения до серии медленных подвижек или прерывистого скольжения. Проводились эксперименты с гетерогенной поверхностью скольжения, содержащей разное количество участков разупрочнения различного размера. Для создания такой поверхности в промежуток между блоками диабаза вставлялся лист фторопласта с вырезанным участком, моделирующем контактное пятно (модель участка асперити). Пустота в листе фторопласта заполнялась смесью цемента и перетертого мелкодисперсного природного материала (отношение по массе цемента, природного материала и воды 1:1:0.4). После заполнения контактного пятна (или контактных пятен) на модельном разломе устанавливалось нормальное напряжение 2 МПа и образец оставлялся под нагрузкой, вплоть до окончательного цементирования. В качестве природных материалов использовались раздробленный кварцит со свойством скоростного разупрочнения и амфиболит со свойством скоростного упрочнения (использовались образцы горных пород, отобранные экспедициями ИДГ РАН прошлых лет в разных сегментах эксгумированного на дневную поверхность участка ядра одного из разломов Байкальской рифтовой зоны).

Лабораторные эксперименты продемонстрировали, что вещественный состав и, следовательно, фрикционная стабильность материала, не влияют на закономерности накопления деформаций, но влияют на закономерности их реализации. Показано, что разломы с разными пятнами имеют близкую фрикционную прочность. При этом скорость подвижки существенно выше на разломах, содержащих контактные пятна со свойством скоростного разупрочнения (содержащих кварц), чем на разломах, содержащих контактные пятна со свойством скоростного упрочнения (содержащих амфиболит); при близких значениях реализованной сейсмического момента. На контактных пятнах со свойством скоростного разупрочнения реализуется динамическая подвижка и происходит инициирование сейсмических импульсов с резким вступлением. При разрушении контактных пятен со свойством скоростного упрочнения фиксируются «медленные» землетрясения.

Публикации :

Будков А.М., Кишкина С.Б., Кочарян Г.Г. Моделирование сверхсдвигового режима распространения разрыва по разлому с гетерогенной поверхностью Физика Земли, 2022, № 4, стр. 135-150 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0002333722040019

Кочарян Г.Г., Будков А.М., Кишкина С.Б. Влияние структуры зоны скольжения разлома на скорость распространения разрыва при землетрясении Физическая мезомеханика, 25, 4, 84–93 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_4_84

Будков А.М., Кишкина С.Б. ОДИН ИЗ СЦЕНАРИЕВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ «БЫСТРЫХ» РАЗРЫВОВ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ Физическая Мезомеханика, том 27, №3 (год публикации - 2024)

Гридин Г.А., Остапчук А.А. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОДВИЖЕК ПО РАЗЛОМАМ, СОДЕРЖАЩИХ КОНТАКТНЫЕ ПЯТНА. ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. Динамические процессы в геосферах. 2023;15(4):15-24. https://doi.org/10.26006/29490995_2023_15_4_15

при поддержке

По любым вопросам можно связаться с

Кишкиной Светланой Борисовной

Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1,
Лаборатория Приповерхностной геофизики

при поддержке