Закономерности пространственных изменений тектонических напряжений и эффективных прочностных параметров массивов горных пород в областях сильных землетрясений

2006-2008 гг

Руководитель проекта д.физ.-мат.н. Ю.Л.Ребецкий

Участники проекта:

Михайлова А.В., Маринин А.В., Осокина Д.Н., Яковлев Ф.Л.

Отчет за 2006 г

Главной целью выполняемого проекта является развитие методов тектонофизической оценки природных напряжений и параметров эффективной прочности массивов горных пород. Базисом этих оценок является разработанный в ИФЗ РАН метод катакластического анализа разрывных нарушений [Ребецкий, Доклады РАН, 1997, 1999, 2003], позволяющий в сегодняшнем его виде выполнять реконструкцию не только ориентации главных осей напряжений, но и относительных значений полного тензора (результаты первых двух этапов реконструкции). В прошедшем году выполнялось развитие алгоритма этого метода для определения величины эффективного (среднего для массива в первые десятки км) внутреннего сцепления массивов горных пород (третий этап реконструкции). При этом в качестве дополнительных использовались данные о величине снимаемых напряжений для землетрясения, характерный линейный размер очага которого, соответствует масштабу реконструированных напряжений. Этот новый алгоритм оценки параметров эффективного внутреннего сцепления был апробирован для западного фланга Зондской субдукционной зоны [Ребецкий, Маринин, Доклады РАН, 2006]. Источником данных о снимаемых напряжениях являлось катастрофическое Суматра-Андаманское землетрясение (Mw=9.5). Используя значения снимаемых напряжений в 9 бар (сейсмологические данные), для исследуемого участка дуги было получено значение эффективного внутреннего сцепление равное 35 бар (в экспериментах на малых образцах 300 – 1000 бар). Эта величина внутреннего сцепления определила диапазон изменений в исследуемом регионе значений максимальных касательных напряжений от 50 до 300 бар. Оценка эффективного внутреннего сцепления делалась также для земной коры Японских островов при использовании данных о величине снимаемых напряжений (32 бара) для землетрясения Токачи Оки (Mw=8.1), произошедшего к юго-востоку от о. Хоккайдо 25.09.2003. Используя данные сейсмологов о снятом напряжении в очаге этого землетрясения было получено значение эффективного внутреннего сцепления, равное 25
барам. Соответственно пересчитанные значения максимальных касательных напряжений для исследуемого региона дали диапазон вариации от 70 до 350 бар.

Выполненные оценки прочностных параметров массивов горных пород являются уникальными и подтверждают выводы о низкой прочности участков земной коры крупных разломных зон. Поскольку разломные зоны являются слабейшим звеном в системе: блоки – разломы земной коры, то уровень напряжений, действующих в земной коре, определятся уровнем напряжений, который способны выдержать разломы. Таким образом, наши результаты не подтверждают оценки, полученные в работах [Sibson, Nature, 1974; Cloethingh, Burov, Geophys. J. Int., 1996 и др.], определившие уровень максимальных касательных напряжений, действующих в земной коре, величиной в 3-8 кбар (в зонах горизонтального сокращения). Значения напряжений, полученные в этих работах, характеризуют уровень напряжений, которые могут выдержать массивы горных пород вне крупных разломных зон. Однако из-за наличия в земной коре большого числа разномасштабных разломов этот уровень никогда не достигается.

В рамках работ, заявленных на 2006 г, осуществлялось изучение закономерности развития хрупкого разрушения, формирующегося в неоднородном поле напряжений. При этом мы использовали результаты реконструкции природных напряжений, полученные методом катакластического анализа, результаты экспериментов по разрушению горных пород, опубликованные в научных издания и отчетах, а также выполняли численное, конечно-элементное моделирования деформаций и напряжений в упруго-пластических моделях на программном комплексе UWAY. Исследования природных напряжений позволило выявить ряд особенностей распределения напряжений, которые являются критичными для формирования области подготовки аномально сильного землетрясения [Ребецкий, Маринин, Геология и Геофизика, 2006].

Отчет за 2007 г

Целью выполняемого проекта является развитие методов тектонофизической оценки природных напряжений и параметров эффективной прочности массивов горных пород, а также изучение механизмов генерации тектонических напряжений. Развитие этих исследований в сейсмоактивных областях в период подготовки сильных землетрясений позволяет разработать тектонофизические критерии оценки сейсмической опасности. Одним из основных достижений этого года являются исследования распределения напряжений в земной коре внутриплитовых областей (Алтай и Саяны). По результатам этих исследований показано, что характер распределения различных параметров напряженного состояния не соответствует тем закономерностям, которые следует ожидать в случае, если генерация напряжений в земной коре изучаемой территории обусловлена передачей горизонтальных сжимающих напряжений от удаленных областей конвергенции литосферных плит. Установлены пониженные значения эффективного сцепления массивов горных пород в земной коре субдукционных областей в сравнении с внутриплитовыми областями, что предопределяет и существование здесь девиаторных напряжений меньшей интенсивности. Многие закономерности внутриплитового напряженного состояния указывают на ответственность за его формирование внутрикоровых или внутримантийных процессов.

С целью расширения возможных механизмов генерации девиаторных напряжений для внутриплитовых областей нами рассматривался новый механизм, обусловленный катакластическим гравитационным расплющиванием пород в стесненных условиях. В этом случае в породах возникают дополнительные остаточные напряжений, большая часть которых может сохраняться достаточно длительное время (миллионы лет и возможно более) и существенно повлиять на характер напряженного состояния при подъеме этих пород ближе к дневной поверхности. В настоящее время мы рассматриваем подобный механизм генерации напряжений, как одно из возможных объяснений факта повышения значений напряжений горизонтального сжатия во внутриплитовых областях.

На примере областей подготовки сильных землетрясений Токачи-Оки (2003) и Симуширских (2006, 2007) изучались закономерности распределения напряжений, ответственных за их возникновение. Получены новые данные об эффективной прочности массивов горных пород и об уровне напряженного состояния в земной коре зон субдукции.

Нами осуществлялось теоретической изучение закономерности развития хрупкого разрушения, формирующегося в неоднородном поле напряжений. Рассматривалась задача Гриффитса для трещины сдвига, формирующейся в вертикально неоднородном поле напряжений, обусловленном действием гравитационных напряжений. Показано, что в этом случае концы трещины находятся в неодинаковых условиях, что должно приводить к более быстрому развитию того кончика трещины, для которого достигается сброс касательных напряжений большего уровня.

Отчет за 2009 г

В этом году закономерности распределения напряжений в земной коре внутриплитовых и внутриконтинентальных областей исследовались на примере Центрального Тянь-Шаня по данным о механизмах очагов коровых землетрясений (805 событий с магнитудами от 1.1 до 5.4), полученных сейсмической сетью KNET в период времени с 02.02.1999 по 30.12.2007, при использовании метода катакластического анализа разрывных нарушений. Результаты выполненных расчетов также как и для земной коры Алтая и Саян, показали высокий уровень девиаторных напряжений и усредненной прочности массивов горных пород в сравнении с данными подобных реконструкций выполненных в предыдущие годы для коры субдукционных областей. Установлено чередование областей повышенного и пониженного относительно литостатики (0.778 – 1.206 plt) всестороннего тектонического давления при среднем его значении, близком к литостатике (1.02 plt). Получены данные о параметрах прочности массивов горных пород Центрального Тянь-Шаня (в этом году), которые близки к значениям, полученным ранее для массивов пород Алтая Саян и многократно превышают эффективную прочность массивов горных пород субдукционных областей. Все эти данные являются новыми и уникальными. Выполнялись теоретические тектонофизические исследования роли гравитационных сил на возможность формирования аномальных напряжений горизонтального сжатия за счет остаточных напряжений. Показана возможность сохранения этих напряжений в условиях верхней и средней коры в течении десятков и сотен миллионов лет без значимой их релаксации. В первые были получены выражения связывающие амплитуды вертикальных поднятий горных пород, при которых возможна переиндексация осей главных напряжений и режим напряженного состояния может смениться с горизонтального растяжения на горизонтальное сжатие.