Оценка величин тектонических напряжений и механических свойств массивов горных пород в хрупкой части земной коры

2003-2005 гг

Руководитель проекта к.техн. н. Ребецкий Ю.Л.

Отчет за 2003 г

Выполнено развитие метода катакластического анализа разрывных нарушений для оценки величин тектонических напряжений - второй и третий этапы реконструкции напряжений. Предложенный в рамках метода подход базируется на положении о диапазоне прочности при хрупком разрушении в трещиноватых массивах горных пород. Верхний предел прочности отвечает ненарушенным участкам, а нижний предел минимальному сопротивлению сухого трения для уже существующих разрывов. Оценка относительных величин напряжений (второй этап) делается на основе анализа на диаграмме Мора однородных выборок механизмов очагов землетрясений, полученных при расчете ориентации осей главных напряжений (первый этап реконструкции). Абсолютные величины напряжений рассчитываются в ходе третьего этапа реконструкции, базисом которого является положение о близости величины вертикальных напряжений весу столба вышележащих пород. В методе предложено уточнение этого положения, а также показана возможность оценки эффективного внутреннего сцепления массивов горных пород и величины флюидного давления. Полученные значения эффективного внутреннего сцепления в 50-100 бар для земной коры Южных Курил и Японии, а также афтершоковой области Нордриджского катастрофического землетрясений 1994г более чем на порядком меньше значений, полученных в экспериментах над образцами. Величина внутрипорового флюидного давления меняется от значений близких к гидростатическому (как правило, в верхних горизонтах) до значений близких литостатическому. Значения максимальных касательных напряжений не превышают 1.4кбар.

Отчет за 2004 г

Выполнялись исследования, направленные на анализ закономерностей пространственного распределения параметров напряженного состояния в земной коре сейсмоактивных регионов (Южные Курилы и Япония, афтершковая область Нордриджского 1994г землетрясения). Установлен факт повышенного флюидного давления (близкого к литостатическому) и обусловленную им низкую эффективную прочность массивов горных пород. Показано, что в сейсмоактивных областях имеет место чрезвычайно неравномерное распределение флюидного давления, скорости дилатансии и интенсивности напряженного состояния. Предложен графический способ оценки величин сбрасываемых напряжений на основе анализа напряжений на диаграмме Мора. Рассчитывались динамические параметры землетрясений: сбрасываемые напряжения, коэффициенты эффективности снятия энергии упругой деформации и эффективности сейсмической разрядки. Показано, что областям высокой интенсивности напряженного состояния отвечают землетрясения с низкими коэффициентами эффективности.

Отчет за 2005 г

Выполнено развитие новых алгоритмов метода катакластического анализа разрывных нарушений, ориентированных на оценку величин тектонических напряжений - второй и третий этапы реконструкции. Метод базируется на представлении массивов горных пород в виде изначально трещиноватой среды, разрушение в которой может формироваться как за счет активизации ранее существовавших трещин, так и за счет возникновения новых трещин и разрывов. Подобный подход предусматривает проведение на диаграмме Мора полосы разрушения, верхняя граница которой отвечает эффективному (среднему для масштаба осреднения 10-100 км) пределу внутренней прочности ненарушенных участков горных пород, а нижняя – линии минимального сопротивления сухого статического трения для уже существующих разрывов. Использование линии сопротивления сухого кинематического трения и положения теории разрушения о неизменности нормальных к разрыву напряжений до и после его активизации позволяет на диаграмме Мора выполнять оценку максимальных значений сбрасываемых на разрыве напряжений.

Разработаны алгоритмы геометрического анализа диаграммы Мора, позволяющие оценивать относительные напряжения, действующие в земной коре и ответственные за совокупность анализируемых землетрясений, сбрасываемые напряжения и др. динамические параметры очагов с точностью до неизвестного значения эффективной внутренней прочности. Разработанный подход по оценке динамических параметров очагов позволил выявить зависимость эффективности энергетической разгрузки и КПД землетрясений от вида и интенсивности напряженного состояния. По результатам применения данного подхода впервые были построены карты полей относительных величин напряжений для сейсмоактивных регионов Евразии (http://www.ifz.ru/tecton). Установлено, что для земной коры, напряженное состояние которой близко к предельному (области активного сейсмического режима), существует взаимосвязь значений между максимальными касательными напряжениями и эффективным всесторонним давлением.

Использование в качестве дополнительных сейсмологических данных о величинах напряжений, сбрасываемых в очагах землетрясений, позволило разработать алгоритм оценки величины эффективного внутреннего сцепления массивов горных пород и перейти к расчету абсолютных величин напряжений. Подобные оценки были сделаны для Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г, и землетрясения Токачи-Оки 2003 г (Япония). Полученные значения эффективного внутреннего сцепления в 25-35 бар на полтора порядка меньше значений для образцов в первые сантиметры. Рассчитанный на основе этих данных диапазон максимальных касательных напряжений, действующих в сейсмоактивных участках земной коры, составил 50-350 бар. Полученные оценки на 1-1.5 порядка ниже значений, полученных в работах Сибсона, Бурова, Клуттинга и др. Подобный результат связан с использованием в этих работах предположения о гидростатическом законе распределения флюидного давления по глубине. Разработанный нами алгоритм оценки флюидного давления на основе положения о близости вертикальных напряжений весу столба вышележащих горных пород показал, что оно распределено неравномерно в латеральном направлении и для глубин более 3-5 км приближается к литостатическим значениям.

Выполнена реконструкция напряженного состояния западного фланга Зондской субдукционной области до и после Суматра-Андаманского землетрясения 26.12.2004 по сейсмологическим данным о механизмах очагов землетрясений, взятых из каталога Гарвардского университета (260 землетрясений 1975 - 2004 гг и 120 афтершоков по 01 июня 2005 г). Установлено, что область подготовки Суматранского землетрясения была существенно неоднородной, как по ориентации главных осей тензора напряжений, так и по величине напряжений. Тектонический режим здесь сменялся от чисто субдукционного (южнее начала вспарывания очага) до рифтового (в задуговом бассейне). Источником неоднородности напряженного состояния является движение с северо-запада на юго-восток Бирманской плиты, формирующей вдоль Никобар-Андаманского и Центрально-Суматранского разломов правосдвиговую обстановку. Место возникновения Суматранского землетрясения находилось в области больших значений шаровой и девиаторных компонент тензора напряжений, а развитие поддвигового разрыва было направлено в область пониженных напряжений. Факт развития сильного землетрясения из области большого градиента напряжений заставляет пересмотреть существующие на сегодняшний день взгляды на процесс подготовки землетрясения, в которых доминируют представления о повышенных значениях напряжений во всей области будущего очага землетрясения.