Оценка емкостно-фильтрационных характеристик и модуля Юнга пород очаговой зоны Суматринского землетрясения

ниям по количеству закрытых ячеек, по показателям долговечности и теплопроводности. При устройстве фундаментов мелкого заложения важно учесть глубину промерзания грунтов на данной территории и условия их подтопляемости или уровень грунтовых вод, т.е. задачи должны рассматриваться во многокритериальной постановке. Только в таких многокритериальных постановках может быть получен желаемый результат.

Список литературы

1. Градостроительство. №1, 2010.

2. Малоэтажное домостроение. 2009. Сентябрь. С. 59.

3. Малышев М.В., Болдырев Г.Г. Механика грунтов. Основания и фундаменты. М.: Изд-во «АСВ», 2000. 320 с.

S. Shulgenko

Environmental aspects of engineering preparation for regional low-rise house building

Basic environmental aspects of engineering preparation for regional low-rise house building phase were discussed at this paper.

Key words: engineering prepare, environmental aspects, house building.

Получено 17.03.2010

УДК 624.131.431.2

С.В. Семашко, канд. геол.-минерал. наук, доц.,

ОЦЕНКА ЕМКОСТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И МОДУЛЯ ЮНГА ПОРОД ОЧАГОВОЙ ЗОНЫ СУМАТРИНСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Показано, что на основании определений добротности очаговой зоны Сумат-ринского землетрясения и вмещающих ее пород, а также результатов исследований напряженного состояния земной коры и верхней мантии района землетрясения, получены оценки пористости, проницаемости и модуля Юнга горных пород.

Ключевые слова: добротность, флюиды, эффективное давление, пористость, проницаемость, модуль Юнга, очаговая зона землетрясения, вмещающие породы.

До настоящего времени определение роли флюидов при тектонических движениях и подготовке землетрясений остается одним из основных направлений изучения геодинамических процессов в земной коре и верхней мантии. В результате комплексных исследований на геодинамических полигонах во второй половине XX века установлено, что разломы земной коры могут интенсивно поглощать флюиды, особенно при активизации движений (подвижках) в пределах разломов или разломных зон.

Помимо этого, имеются экспериментальные данные, свидетельствующие, что внезапный подъем флюидов в разломных зонах провоцирует (инициирует) землетрясение [1]. Важность изучения динамики подземных вод подчеркивается и при определении информативности различных геофизических, геохимических, гидрогеологических и деформационных методов исследований, используемых для целей прогноза землетрясений. В результате исследований установлено, что «наибольшей прогностической информацией обладают объемная деформация горных пород, или уровень подземных вод, прямо отражающие деформационные процессы в земной коре» [2]. Предложено несколько моделей возможной взаимосвязи миграции флюидов и сейсмического режима. Наиболее известные представления

о механизмах, обеспечивающих эту взаимосвязь, сформулированы такими исследователями, как Miller (1996), Henderson (1997), Yamashita (1997); обзор работ указанных авторов представлен в монографии [1].

Отметим, что до настоящего времени предметом дискуссий остаются не только источники и механизмы движения флюидов, но и численные значения фильтрационно-емкостных характеристик горных пород очаговых зон землетрясений и вмещающих их пород. Отсутствие достоверной информации объясняется невозможностью изучения движения флюидов в пределах очаговых зон с помощью прямых методов наблюдений. Поэтому качественная и количественная оценка фильтрационно-емкостных характеристик на этих глубинах основывается на результатах интерпретации глубинных сейсмических методов и электромагнитных зондирований.

Результаты исследований района Суматринского землетрясения (26.12.2004 г.), представленные в работах [3, 4, 5], формируют необходимую информационную базу для количественных оценок модуля Юнга, пористости и проницаемости горных пород. На этой основе нами получены численные оценки перечисленных характеристик пород очаговой зоны землетрясения и вмещающих пород, которые позволяют:

- определить пределы изменения модуля Юнга, пористости и проницаемости в глубинных частях земной коры и верхней мантии на участке подготовки сильного землетрясения;

- провести сопоставление проницаемости очаговой зоны сильного землетрясения и вмещающих ее пород и сравнить с результатами исследований проницаемости метасоматических и метаморфических систем континентальной земной коры.

Суматринское землетрясение произошло 26 декабря 2004 года западнее о. Суматра на фланге Зондской сейсмической области. Его магнитуда составила М w = 9,3, а глубина очага - около 30 км. Суматринское землетрясение «... является первым землетрясением с магнитудой более 9, произошедшим в эпоху цифровых сейсмических наблюдений» [3, 4]. В ходе исследований напряженного состояния пород района землетрясения, получены количественные оценки следующих параметров [3, 4]:

- горизонтального напряжения на глубине 30 км, достигающего (9-12)-102 МПа;

- максимальных касательных напряжений, достигающих 30-35 МПа;

- изменений отношения эффективного всестороннего давления к касательному напряжению, находящихся в диапазоне от 0,87 до 2,10.

В работе [5] приведены результаты картирования поля поглощения 5-волн (по значениям эффективной добротности Q 5, безразмерная величина) в южной части очаго юй зо н>1 Суматринского землетр жения. Полученные значения добротности разделены на три интервала, которые соответствуют:

1) интервал Q 5 = 150-220 соответствует повышенному поглощению сейсмических волн;

2) интервал QS = 230-330 соответствует промежуточному поглощению сейсмических волн;

3) интервал QS = 370-1000 соответствует пониженному поглощению сейсмических волн.

На площади исследования выделены две линейные зоны сильного поглощения волн, имеющие северо-западное и северо-восточное простирание. Эпицентр Суматринского землетрясения находится в области пересечения этих зон. Отметим, что очаг землетрясения расположен между глубоководным желобом и вулканической областью.

Для перехода от значений добротности к количественной оценке пористости воспользуемся соотношением [6]:

2

А 1 V

%,

/ = 47,1

V Qs у

где/- пористость, QS - добротность.

Для количественной оценки модуля Юнга воспользуемся соотношением [7]:

ст= /'Е ,

[3Г1 - 2у ;] ';

где о - эффективное всестороннее давление, / - пористость, Е - модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона.

Из соотношения (2) следует, что:

Е = С[У 1 - 2У;].

/

Для количественной оценки проницаемости воспользуемся выведенным ранее [7] соотношением:

К = 65,6

где К - проницаемость, Т - удельная поверхностная энергия, Е - модуль Юнга.

После подстановки (3) в (4) имеем:

/  т

К = 7,3

[а( 1 - 2у]

В соответствии с расчетами, выполненными с использованием результатов определения максимальных касательных напряжений (30-35 МПа) и отношения эффективного всестороннего давления к касательному напряжению (0,87-2,10), представленных в работах [3, 4], изменения эффективного всестороннего давления находятся в пределах 26-74 МПа. Для количественных оценок проницаемости примем значение коэффициента Пуассона равным 0,25, а значение удельной поверхностной энергии

1 Дж/м2 [8].

Оценки модуля Юнга, пористости и проницаемости очаговой зоны Суматринского землетрясения и вмещающих ее пород, полученные с использованием соотношений (1), (3), (5), представлены в таблице.

Проницаемость очаговой зоны и вмещающих ее пород сопоставим с оценками проницаемости континентальной земной коры, которые получены на основе данных о тепловых потоках и анализа метасоматических и метаморфических систем и соответствуют интервалу глубин 15-40 км [9]. В соответствие с этими оценками, проницаемость пород континентальной земной коры изменяется следующим образом:

1) при метасоматических процессах в зонах пластического течения пород - от 6,3 10-18 до 7,9 10-16 м2;

2) при процессах контактового метаморфизма - от 1,0 10-18 до

4-10-17 м2;

3) при процессах регионального метаморфизма - от 1,810 21 до

3,55-10-18 м2.

Оценки модуля Юнга, пористости и проницаемости очаговой зоны

б, / % Е-109, Па К, м2 Примечание

150 - 220 1,29 -1,67 2,34 -8,55 9,0-10-191,2-10-17 очаговая зона

230 - 330 0,99 -1,25 3,13 -11,1 5,3-10-196,7-10-18 очаговая зона -вулканическая область

370 - 600 0,66 -0,91 5,93 -23,5 1,2-10-191,3-10-18 очаговая зона -глубоководный желоб

Полученная проницаемость очаговой зоны и вмещающих ее пород изменяется в пределах двух порядков: от 1,210-19 до 1,210-17 м2. Эти зна-

чения на пять-семь порядков превышают нижний порог проницаемости, равный 10 -24 м2.

Следовательно, во всем объеме горных пород, который задействован в подготовке Суматринского землетрясения, существует возможность перемещения флюидов.

Полученные нами значения проницаемости для очаговой зоны (9,0-10-19-1,2-10-17 м2) частично попадают в интервал значений проницаемости, характерный для метасоматических процессов в зонах пластического течения пород и для процессов контактового метаморфизма. Проницаемость пород, расположенных юго-восточнее очаговой зоны (в направлении глубоководного желоба), изменяется в пределах 1,2-10-19- 1,3-10-18 м2; проницаемость пород, расположенных северо-восточнее очаговой зоны (в направлении вулканической области), изменяется в пределах 5,3-10-196,7-10-18 м2.

Проницаемость пород, вмещающих очаговую зону, соответствует наиболее высоким значениям показателя для процессов регионального метаморфизма и находится в пределах значений, характерных для контактового метаморфизма. Максимальные значения проницаемости (6,7-10-18 м2) пород, расположенных юго-восточнее очаговой зоны, находятся вблизи нижней границы проницаемости (6,3-10-18 м2) при метасоматических процессах в зонах пластического течения пород.

Повышение значений проницаемости и пористости, понижение значений модуля Юнга в вулканической области по сравнению с участком земной коры, прилегающим к глубоководному желобу, представляются не случайными. Известно, что прочностные характеристики горных пород меняются в широких пределах в зависимости от термобарических условий, в которых они находятся, а также от насыщенности флюидами. Поэтому одним из наиболее вероятных объяснений отмеченных выше различий может быть большее влияние флюидов на физико-механические и емкостно-фильтрационные характеристики пород нижней части земной коры и верхней мантии района вулканической области по сравнению с глубинными породами участков прилегающих к океаническому желобу.

Пористость пород очаговой зоны, согласно нашей оценке, находится в интервале 1,29 - 1,67 %. Эти значения превышают средние оценки пористости:

- гранулит-базитовой оболочки континентальной и субконтинен-тальной коры- 0,72 % [10];

- земной коры в интервале глубин 20-38 км - 1,0 % [6].

Следовательно, полученные нами оценки пористости и проницаемости позволяют охарактеризовать очаговую зону Суматринского землетрясения как область с повышенными по отношению к вмещающим породам значениями пористости (в 1,5-2 раза) и значениями проницаемости (на один - два порядка).

Список литературы

1. Каракин А.В., Курьянов Ю.А., Павленкова Н.И. Разломы, трещиноватые зоны и волноводы в верхних слоях земной оболочки. М.: ВНИИ-геосистем, 2003. 219 с.

2. Соболев Г.А., Понаморев А.И. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.

3. Мухамедиев Ш.А., Галыбин А.Н. Где и как зародились разрывы землетрясений 26.12.04 и28.03.05 у острова Суматра// ДАН. 2006. Т.406. №1. С. 95-98.

4. Ребецкий Ю.Л., Маринин А.В. Напряженное состояние земной коры западного фланга Зондской субдукционной зоны перед Суматра-Адаманским землетрясением 26.12.04// ДАН. 2006. Т. 407. №1. С. 106-110.

5. Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Характеристика сейсмичности и поля поглощения S-волн в районе очага Суматринского землетрясения 26 декабря 2004// ДАН. 2008. Т. 422. №5. С. 672-676.

6. Семашко С.В. Динамические процессы и пористость в литосфере // Изв. ТулГУ. Сер. Геооинформационные технологии в решении региональных проблем. Вып. 2. Москва-Тула. 2005. С. 122-127.

7. Семашко С.В. Оценка изменений напряженного состояния глубинных зон земной коры при современных геодинамических процессах // Изв. ТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 8. Тула. 2006. С. 87-91.

8. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород// 3-е изд. М.: Изд-во МГГУ. 2002. 453 с.

9. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюидная проницаемость земной коры. М.: Научный мир. 2002. 216 с.

10. Зверев В.П. Новые данные о массе имассопотоках вподземных вод в земной коре // ДАН. 2004. Т. 397. №5. С. 660-663.

S. Semashko

Evaluating collecting- filtration properties and Young modulus of rocks for Sumatra earthquake seismic focus

Evaluations ofporosity, penetrability and Young modulus got for rocks with using information about Sumatra earthquake seismic focus and researching Earth crust and upper mantle stress condition.

Key words: Q-factor, fluids, effective pressure, porosity, penetrability, Young modulus, earthquake seismic focus, enclosing strata.

Принято 17.03.2010