Изучение влияния водонасыщения и вибраций на режим смещений в зонах разломов

Изучение влияния водонасыщения и вибраций на режим смещений в зонах разломов

В.В. Ружич, С.Г. Псахье1, О.П. Смекалин, Е.В. Шилько1, С.В. Астафуров1

Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Хорошо известно, что земная кора имеет иерархическую блочную структуру, являющуюся результатом геологической эволюции, а также глобальных и локальных деформационных процессов. При этом важными элементами геосреды являются границы раздела блоков, по которым и происходят основные деформации (смещения) под действием локальных полей внутренних напряжений. На макромасштабном уровне такими межблочными границами являются сейсмоактивные разломы. В настоящей работе было проведено комплексное исследование совместного влияния обводнения и вибрационного воздействия на поведение (режим смещений) сейсмоактивного разлома или его фрагмента. Результаты исследования показали, что совместное использование двух указанных факторов может не просто инициировать аномально большие по амплитуде смещения по разлому, но, что не менее важно, реализовать их в относительно плавном режиме сдвиговой ползучести (то есть без динамического спонтанного выделения мощных сейсмических импульсов).

Investigation of influence of watering and vibrations on regime of displacements in fault regions

V.V. Ruzhich, S.G. Psakhie, O.P. Smekalin, E.V. Shilko, and S.V. Astafurov

It is known that the earth’s crust has hierarchical block structure, which is result of geological evolution as well as global and local deformation process. Main deformations (displacements) in the geomedium under local fields of inner stresses take place along interblock boundaries (interfaces). At the macroscale level such interfaces are presented by seismically active faults. The present paper is devoted to the integrated study (including full-scale experiments and computer-aided simulations) of combined effect of watering and vibration action on behavior (displacement regime) of a seismically active fault or its part. Investigation results shown that combined application of these two factors can not only initiate anomalously high displacements along the fault but (that is not of less importance) realize them in relatively “smooth” regime of shear creep (i.e. without spontaneous dynamic release of power seismic pulses).

1. Введение

Любой участок земной коры, как на поверхности, так и на значительных глубинах, представляет собой совокупность структурных составляющих (блоков горной породы), разделенных нарушениями сплошности разного масштаба (разломов, зон трещиноватости, трещин и т.д.). При этом масштаб нарушений заключен в весьма широких пределах: от 10 нм (дефекты кристаллической решетки минералов) до десятков тысяч километров (крупные тектонические разрывы) [1].

Межблочные области обычно имеют значительно более низкие эффективные прочностные и деформационные характеристики по сравнению с материалом самих блоков. Кроме того, проницаемость таких нарушений сплошности на несколько порядков выше, чем в объеме блоков. Поэтому основные механические (деформационные), геофизические и геохимические процессы в земной коре происходят именно на границах раздела

структурно-тектонических блоков — в зонах активных разломов [2].

Ввиду структурных особенностей земная кора и ее фрагменты являются яркими представителями класса так называемых «интерфейсных» материалов [3]. Схематически такие среды можно представить в виде набора структурных элементов, разделенных между собой прослойками со свойствами, существенно отличающимися от свойств самих элементов. Как правило, границы раздела в таких средах имеют более «рыхлую», насыщенную дефектами структуру, что обуславливает снижение локального сопротивления сдвигу [4]. Следует отметить, что изменение физико-механических свойств или состояния границ раздела, может оказывать существенное влияние не только на локальные, но и на макроскопические свойства таких сред даже в случаях, когда объемная доля границ раздела невелика. Так, в случае геологических сред изменение свойств межблоч-

© Ружич В.В., Псахье С.Г., Смекалин О.П., Шилько Е.В., Астафуров С.В., 2004

ных разломов может реализоваться их обводнением. В случае активных разломов это может приводить к инициации быстрых смещений и выделению сейсмической энергии. Различные механизмы гидросейсмичности исследовались, в частности, в работах [5-7].

2. Постановка задачи

Исследования особенностей деформации и разрушения предварительно нагруженных интерфейсных материалов показали возможность значительного (до нескольких раз) повышения их деформационной способности в условиях высокочастотного знакопеременного воздействия [8]. В данном случае термин «высокочастотное» означает, что частота вибрации превышает собственную частоту, связанную с распространением в системе продольной упругой волны. Как показано в [8], причиной такого эффекта является рост доли межблочных границ, вовлеченных в процесс необратимой деформации. При этом цикличность нагружения приводит к накоплению необратимой деформации даже при малых амплитудах воздействия. Следует отметить, что деформационная способность интерфейсного материала или среды возрастает с увеличением степени нагружен-ности.

Перенося результаты приведенных в [8] исследований на геологическую среду, можно предположить, что вибрационное воздействие на активный разлом или его высоконапряженный участок может способствовать инициации/ускорению сдвиговых смещений в направлении, определяемом локальным полем напряжений в данном фрагменте. Анализ результатов работ, посвященных проблемам гидросейсмичности, дает основания предполагать, что совместное воздействие двух указанных выше факторов — изменения состояния материала в разломе (обводнение) и механическая активация (высокочастотные циклические воздействия) — может не только увеличить скорость смещений по разлому, но и изменить их режим.

Целью настоящей работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование особенностей поведения фрагмента разлома при его обводнении и вибрационных воздействиях. Проведенное исследование включало компьютерное изучение механизмов влияния насыщения жидкостью и вибраций на величину силы сопротивления зоны разлома относительному смещению крыльев, а также натурные эксперименты, проводимые на фрагменте Ангарского разлома северо-западного простирания Байкальской рифтовой зоны. Компьютерное моделирование насыщенного жидкостью фрагмента активного разлома проводилось с помощью метода подвижных клеточных автоматов [9].

3. Результаты и обсуждение

В настоящей работе учет насыщения жидкостью зоны моделируемого разлома осуществлялся путем изме-

нения механического отклика подвижных клеточных автоматов внутриразломного материала (рис. 1). Доля насыщенных жидкостью автоматов в разломе составляла около 50 об. %.

При построении функции отклика насыщенного жидкостью материала использовалось предположение о том, что наличие жидкости в трещинно-поровом пространстве геологической среды наряду с факторами, указанными в [9], уменьшает силы зацепления поверхностей мелких повреждений и трещин. Это приводит на макромасштабном уровне к снижению предела упругости материала и уменьшению наклона необратимого участка а-е-диаграммы (кривая 3 на рис. 1). Отметим, что такое приближение позволяет проводить качественный анализ влияния насыщения жидкостью поведение фрагмента зоны разлома.

Напряженное состояние фрагмента зоны разлома моделировалось приложением сжимающей силы в нормальном по отношению к линии разлома направлении. Рассматривались два характерных режима относительного тангенциального смещения крыльев разлома. В первом случае задавалось постоянное значение скорости сдвига, имитирующее естественный ход смещений. Во втором на заданную скорость накладывалось «высокочастотное» вибрационное воздействие (частота вибрации в 1.4 раза превышала собственную частоту модельной системы). Исследовалась зависимость силы сопротивления относительному тангенциальному смещению крыльев разлома от величины смещения.

Результаты расчетов показали, что насыщение жидкостью моделируемого фрагмента зоны разлома приводит к уменьшению силы сопротивления относительному смещению его краев (рис. 2). Так, в случае «сухой» зоны разлома зависимость силы сопротивления от смещения (кривая 1) имеет две стадии: быстрый рост до некоторого максимального значения и последующее плавное спадание. Обводнение разлома приводит к появлению промежуточной стадии (кривая 2). Первая ста-

а, МПа ь 500

400

300

200

100

0 0.25 10 20 30 40 е, %

Рис. 1. Функции отклика (аналог диаграммы нагружения) автоматов: высокопрочный материал геоблоков (1); исходный внутриразломный материал (2); обводненный внутриразломный материал (3). Пунктирные линии на диаграммах соответствуют разгрузке

0.0 0.01 0.02 0.03

Относительное смещение

Рис. 2. Зависимость силы сопротивления относительному тангенциальному смещению крыльев разлома от величины относительного смещения: «сухая» зона разлома, режим смещения с постоянной скоростью

дия соответствует быстрому росту силы сопротивления; вторая стадия — медленному увеличению силы до некоторого максимального значения; третья — плавному спаданию. При этом пиковое значение силы сопротивления заметно уменьшилось и сместилось более чем в 2 раза в сторону больших деформаций.

Следует отметить, что значительное снижение максимальной силы сопротивления относительному смещению краев разлома при обводнении инициирует смещения при меньших значениях внутренних напряжений. Таким образом, закачка жидкости в «сухой» разлом с высоким уровнем внутренних напряжений может спровоцировать достаточно большие смещения. При этом величина и характерная скорость смещений определяются уровнем внутренних напряжений, степенью обводнения и, безусловно, спецификой внутреннего строения самого разлома.

Высокочастотное циклическое воздействие (кривая 3 на рис. 2) принципиально меняет характер отклика обводненного разлома. Это проявляется, прежде всего, в том, что стадия медленного роста трансформируется в достаточно протяженное плато, в пределах которого среднее значение силы сопротивления (с учетом осцилляций) изменяется слабо (не более 10 %). Таким образом, на данной стадии существенный рост смещений краев разлома возможен без существенного увеличения нагрузки.

Напряженное состояние реального разлома определяется действием сил со стороны массивных структурных элементов земной коры (тектонических блоков, геоблоков и т.д.). Поэтому обводнением зоны разлома и одновременными циклическими воздействиями можно инициировать рост смещений в случае, если уровень локальных напряжений в разломе превышает величину,

соответствующую значению в точке А. При этом слабые колебания силы сопротивления на плато (кривая 3) могут приводить к небольшим «разгонам» и «торможениям» активного крыла.

Таким образом, совместным использованием насыщения фрагмента зоны разлома жидкостью и вибрационного воздействия можно направленным образом инициировать смещения по разлому в квазивязком режиме. Смена режима смещений может в значительной степени изменить локальный процесс релаксации внутренних напряжений в рассматриваемой области геологической среды. При этом становится возможным переход от режима одиночных актов высвобождения большого количества упругой энергии к ее многократному выделению относительно небольшими долями.

Экспериментальное изучение совместного влияния насыщения жидкостью зоны разлома и вибрационного воздействия на режим смещений проводилось на Ангарском разломе северо-западного простирания, относящемся к Байкальской рифтовой зоне. Необходимо отметить, что мониторинг смещений, а также изучение сейсмической активности этого разлома и структуры геологической среды в данном районе Прибайкалья проводятся авторами и их коллегами на протяжении более чем 15 лет. Именно поэтому данный хорошо изученный разлом был выбран для испытаний.

Изменение состояния изучаемого фрагмента разлома осуществлялось путем его искусственного обводнения. На рис. 3 показан участок, на котором осуществлялась закачка воды. Вибрационное воздействие на вы-

Рис. 3. Вид зоны Ангарского разлома северо-западного простирания, расположенного на полигоне «Листвянка» в районе истока реки Ангары. Белой штрихпунктирной линией отмечена линия разлома. Капли отмечают расположение мест заливки воды. Металлическая конструкция башни выполняет функцию естественного вибратора

0.25 --------------------------------------------------------

12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Время, часькминуты

Рис. 4. Временная зависимость тангенциальных смещений по Ангарскому разлому до и после совместного воздействия обводнения выбранного фрагмента и вибрационной нагрузки

бранный фрагмент зоны разлома осуществлялось «естественным» вибратором — башня солнечного телескопа 30-ти метровой высоты (рис. 3). Фундамент башни встроен в одно из крыльев разлома на расстоянии около 20 метров от разлома. Под воздействием ветровой нагрузки происходит раскачивание металлической конструкции башни телескопа. Амплитуда вынужденных колебаний конструкции определяется характеристиками ветра, а период достигает нескольких секунд (V—0.25-0.5 Гц). Раскачивающаяся башня через фундамент оказывает знакопеременное воздействие на одно из крыльев зоны разлома. Отметим, что если собственную частоту зоны Ангарского разлома определить на основе характерного размера образующих его блоков (—10—15 км), то отношение частоты колебаний башни к собственной частоте рассматриваемой области будет варьироваться в пределах от 1 до 3. Таким образом, вибрационное воздействие на зону разлома имеет те же удельные параметры, что и в компьютерном эксперименте.

На рис. 4 приведена запись относительных тангенциальных смещений берегов разлома во время проведения одного из экспериментов. Искусственное насыщение фрагмента зоны разлома жидкостью осуществлялось путем заливки воды в участки, отмеченные на рис. 3. Испытание проводилось в ветреную погоду при скорости отдельных порывов ветра свыше 10 м/с.

Можно видеть, что, как и ожидалось, в результате совместного воздействия двух указанных факторов были инициированы плавные и достаточно большие по величине смещения крыльев разлома (—0.1 мм в течение 12 часов, что на 3-4 порядка превышает характерную скорость естественного хода смещений до обводнения).

Отметим также, что в ходе многолетнего мониторинга естественного хода смещений по Ангарскому раз-

лому проводился анализ влияния степени естественного обводнения зоны разлома, регистрируемого путем измерения уровня воды в контрольной скважине, на характер смещений краев разлома. При этом была установлена однозначная связь между увеличением скоростей смещений в периоды мощных штормовых циклонов (при сильном раскачивании башни телескопа) и уровнем водного горизонта в зоне разлома.

4. Заключение

Таким образом, наложение вибрационной нагрузки на обводненную зону разлома может не только провоцировать/ускорять смещения, но и приводить к принципиальному изменению их характера — от прерывистого скачкообразного к квазивязкому (в режиме тектонического крипа). Комбинированное использование водона-сыщения и вибраций может лечь в основу нового подхода к управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, что может быть использовано для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.

Работа выполнена при поддержке грантов Президента РФ для поддержки молодых российских ученых (№ МК-2573.2003.05) и ведущих научных школ РФ (№ НШ-2324.2003.1), гранта Министерства образования РФ и CRDF в рамках программы BRHE (проект № 016-02), а также гранта РФФИ № 04-05-64707.

Литература

1. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. - М.: ИКЦ «Академкнига». - 2003. - 423 с.

2. Современная геодинамика и нефтегазоносность / Под ред. Н.А. Крылова и В.А. Сидорова. - М.: Наука, 1989. - 199 с.

3. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta Materialia. - 2000. - V 48. - No. 1. - P. 1-29.

4. Валиев Р.З., Александров ИВ. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 271 с.

5. Costain J.K., Bollinger G.A. and Speer J.A., Hydroseismicity: а hypothesis for the role of water in the generation of intraplate seismicity // Geology. - 1987. - V. 15. - P. 618-621.

6. Rodkin M.V. Hydroseismicity — New Evidence // J. of Geodynamics. -

1992. - V. 15. - P. 247-260.

7. Saar M.O., Manga M. Seismicity induced by seasonal groundwater recharge at Mt. Hood, Oregon // Earth and Planetary Science Letters. - 2003. - V. 214. - P. 605-618.

8. Псахье С.Г., Шилько Е.В., Астафуров С.В. Изучение особенностей

механического отклика гетерогенных материалов с границами раздела, характеризующимися высокой деформационной способностью // Письма в ЖТФ. - 2004. - Т. 30. - № 6. - С. 45-51.

9. Psakhie S., Horie Y, Ostermeyer G. et al. Movable cellular automata method for simulating materials with mesostructure // Theor. and Applied Fract. Mech. - 2001. - No. 37. - P. 311-334.