Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Динамика развития деформации и напряжений при формировании зон сдвига

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Автореферат диссертации по теме "Динамика развития деформации и напряжений при формировании зон сдвига"

<) П Н в

АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ

На правах рукописи БУДДО Владимир Юрьевич

УДК 551.243

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЗОН СДВИГА (по результатам моделирования)

04.00.04 - геотектоника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-мшералогических наук

НОВОСИБИРСК 1990

Работа выполнена в Институте земной коры Ордена Ленина Сибирского отделения АН СССР

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор С.И.Шерман

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук А.В.Вихерт,

кандидат техничесих наук П.Е.Котляр

Ведущая организация: Институт физики Земли АН СССР

(г. Москва)

Защита состоится

ЛСИ^Эи/О^ 1990 г. в час. на заседании Специализированного совета Д 002.50.03 при Институте геологии и геофизики СО АН СССР, в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск-ЭО, Университетский проспект, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГиГ СО АН СССР.

Автореферат разослан

1990 Г.

Ученый секретарь

Спе циализированного сове та,

кандидат геол.-мин. наук

Е.М.Хабаров

I 1 ! ■

-!

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Важнейшими структурными элементами земной коры и литосферы являются глубинные разломы и разлошше зоны, имеющие протяженность в сотни и первые тысячи километров и часто представляющие собой межплатные границы. Крупные разломы играют контролирующую и, в большинство случаев, определяющую роль в.развитии различных геологических процессов, сопровождающих тектогенез. Среди широкой гаммы морЕогенетических типов разломов наиболее распространены сдвиги.

Многие исследователи работают в направлении изучения закономерностей развития процесса разломообразования, дающих ключ к пониманию характера тектонических движений, сейсмической активности, магматизма, флюидного режима, локализации месторождений полезных ископаемых в зонах крупных разломов. Ход процесса деструкции определяется и неразрывно связан с напря-хенно-деформированным состоянием разрушаемых слоев горных пород, возникающих под действием тектонических сил. Современные геолого-геофизические данные и измерения в скважинах показывают, что напряженно-деформированное состояние массивов горных пород в каждой точке сложным образом меняется как по величине, так и по ориентации главных осей за короткие промежутки времени. Поэтому изучение динамки полей деформаций и напряжений является необходимым условием познания закономерностей формирования структуры разломных зон, прогноза ее развития и хода контролируемых ею процессов. В связи с этим проблема динамики полей деформаций и напряжений в зонах разломов весьма актуальна, но ее развитие сдерживается невозможностью изучения динамики процессов ввиду большой длительности эволюции крупных разломных зон в природе, а также недостаточной разработанностью методов оценки напряженно-деформированного состояния массивов на больших глубинах.

Цель работы. Изучение общих пространственно-временных закономерностей динамики полой деформаций и напряжений в объеме областей активного динамического влияния крупных сдвигов земной коры и литосферы методом тектонического моделирования.

Задачи исследования:

I. Разработка методики количественной оценки деформаций и

напряжений в объеме непрозрачного упруговязкопластичного материала и постановка автоматизированного эксперимента по моделированию сдвиговых зон на основе этой методики.

2. Анализ пространственно-временного распределения и характера изменения деформаций и напряжений в объеме областей активного динамического влияния формирующихся сдвигов.

Фактический материал, положенный в основу работы, получен в результате проведения экспериментальных исследований (1982 -1988 гг.). Моделирование крупных сдвиговых зон на упруговяз-копластичном материале выполнено в лаборатории тектонофизики Института земной коры СО АН СССР. В ходе сравнительного анализа геолого-геофизических данных и экспериментальных результатов в неоходимом объеме использованы литературные материалы.

Защищаемые положения:

1. При формировании крупных сдвигов поле скоростей сдвиговой деформации и напряжений в областях их активного динамического влияния обладает пространственно-временной неравномерностью и имеет колебательный характер при постоянстве действующих тектонических сил. Установлены продольная, поперечная и вертикальная компоненты миграции повышенных значений этих параметров в объеме зон сдвига. Неравномерность накопления деформаций является характерным свойством процесса множественного разрушения упруговязкопластичного материала.

2. В области активного динамического влияния крупного сдвига участки поверхности с повышенными значениями накопленных сдвиговых деформаций и напряжений могут не соответствовать расположению глубинных зон повышенных деформаций и напряжений.

3. Подвижное крыло зоны сдвига обладает повышенным уровнем скоростей деформации и напряжений, что выражается в большей степени его раздробленности.

4. Разработана методика измерения сдвиговых деформаций с помощью тензорезистивных датчиков в объеме упруговязкопластич-ных моделей крупных сдвиговых зон.

Научная новизна. Получены новые представления об асинхронном развитии деформаций и напряжений в крыльях формирующихся зон сдвигов. Это следует из установленной пространственно-временной неравномерности и колебательного характера полей скоростей деформаций и напряжений.

Выявлен неравномерный характер поля по вертикальному разрезу зон сдвига, в котором средняя его часть имеет пониженные значения скоростей деформации и напряжений по сравнению с верхней и нижней частями.

Разработана новая методика измерения сдвиговых деформаций в объеме непрозрачного упруговязкопластичного материала, позволяющая изучать динамику полей сдвиговых деформаций и напряжений и полностью автоматизировать эксперимент.

Практическая значимость. Полученные в эксперименте закономерности позволяют объяснить ряд особенностей неравномерного протекания некоторых геолого-геофизических процессов: импульсный характер современных тектонических движений, миграции сейсмической активности в сейсмогенерирующих зонах, дискретность локализации одновозрастных рудопроявлений в зонах крупных разломов. Они отражают закономерности, присущие процессу множастьэнного разрушения упруговязкопластичного материала. Общие закономерности деструкции необходимо учитывать при ретроспективном и перспективном прогнозах геолого-геофизических процессов в зонах крупных разломов.

Материалы, включающие часть результатов диссертации, в виде брошюры С.И.Шормана, С.А.Борнякова, В.Ю.Буддо "Рекомендации по оценке ширины зон прирозломных структурных изменений (по результатам физического моделирования)" (1985) извес-гш в производственных и научных организацях страны, а также в виде отчета переданы на внедрение в ВостСибНИИГГиМС (Иркутск).

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на региональной научно-технической конференции (Иркутск, 1981), на Всесоюзном симпозиуме "Экспериментальная тектоника в решении задач теоретической и практической геологии" (Новосибирск, 1982), на Совместном заседании Координационного совета по развитию исследований в области сейсмологии и созданию научных основ прогноза землетрясений при Президиуме СО АН СССР и Геофизической секции Объединенного Ученого совета наук о Земле СО АН СССР (Иркутск, 1984), на пятом Всесоюзном семинаре по механике тектонических и сейсмических процессов (А^.лш-Ата, 1984), на Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Иркутек-ЛистЕШша, 1988), на Всесоюзном совещании "Сдвиговгэ тектонические пару-

швния и их роль в образовании месторождений полезных ископаемых" (Ленинград, 1988), на Всесоюзном совещании "Активные разломы: метода изучения, морфология, кинематика, геодинамика" (Иркутск, 1939), а также в разное время обсуждались на семинарах ряда лабораторий ИФЗ АН СССР, ИГД СО АН СССР, ИГиГ СО АН СССР и ИЗК СО АН СССР.

Публикации. По теме диссертации в соавторстве и самостоятельно опубликовано 23 работы, в том числе 2 монографии и одна брошюра.

Объем и структура работы. Работа состоит из 3 глав, введения, заключения и приложения. Объем составляют 125 с. текста, 50 рисунков, 19 таблиц и список использованной литературы из 190 наименований.

Автор приносит глубокую благодарность своему научному руководителю доктору геол.-мин. наук, профессору С.И.Шерману за постановку задач и определение направления исследования, ценные советы и плодотворные дискуссии в ходе выполнения работы. Автор искренне благодарен А.А.Бабичеву, создавшему программное обеспечение, без которого выполнение экспериментальной части исследования было бы невозможным, а также кандидатам геол. -мин. наук С.А.Борнякову и В.А.Санькову за всестороннюю помощь и поддержку. Автор признателен за доброжелательное обсуждение результатов, помощь в проведении и техническом обеспечении экспериментов всему коллективу лаборатории текто-нофизики ИЗК СО АН СССР. Большую роль при разработке методики и интерпретации результатов сыграли критические замечания, высказанные в разное время известными специалистами по проблеме А.С.Григорьевым, В.ИДондауровым, М.В.Курленей, А.В.Леонтьевым, А.В.Михайловой,В.Ф.Писаренко, С.Н.Поповым, Ю.Л.Ребецким, Г.А.Соболевым, О.И.Черновым, Е.И.Шером и многими другими.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИИ В ОБЪЕМЕ МОДЕЛИ ПРОДОЛЬНОГО СДВИГА (СРЕЗА)

В описываемом тектоническом эксперименте моделировался процесс образования и развития зоны продольного сдвига (среза) в бесконечном слое определенной толщины из упруговязкопластич-

ного материала при постоянной скорости деформирования. Последняя задавалась с помощью относительного смещения частей жесткой подложки, на которой лешт слой, но линии их стыка. Сдвиговую деформацию элемента упруговязкопластичного слоя представим в виде суммы углов а и 7. Угол а характеризует ту часть сдвиговой деформации, для которой распределение скоростей движения материала линейно, угол 7 характеризует часть сдвига, возникающую за счет нелинейности распределения скоростей. Введя в деформируемый сдвигающей нагрузкой слой линейный датчик, расположенный перпендикулярно к направлению смещения и реагирующий на изгиб, можно оценить величину нелинейной составляющей сдвиговой деформации, которая и измерялась в экспериментах. В опытах установлена пропорциональность полкой сдвиговой деформации и ее нелинейной части 7, что позволяет качественно оценивать динамику сдвиговой деформации по изменениям параметра 7. Условимся для краткости называть параметр 7 сдвиговой доформациой, осознавая неполную корректность такого применения термина.

В качестве активных элементов датчиков изгиба использованы тензорезисторы 2ФКПА, изменяющие свое электрическое сопротивление при изгибе. Тензорезистор вместе с выводами обклеивался с обеих сторон тонкими резиновыми пластинками. Датчики имеют малые размеры 40x10 и 28x13 мм (зависящие от размера используемого тензорезистора), толщину 1-1,5 мм. Усилие, необходимое для изгибания датчика на 90°, не превышает 5 гс, что позволяет датчикам гнуться, практически не нарушая окружающего их модельного материала.

Тарировка проводилась таким образом, чтобы форма изгиба датчика максимально соответствовала той форме, которую датчик примет в деформируемом материале. Для этого был изготовлен набор штампов, форма рабочей поверхности которых рассчитывалась, исходя из эмпирической формулы, полученной А.А.Бабичевым на основе анализа изгиба реперов, нанесенных на поверхность деформируемой модели. Датчики имеют линейную часть характеристики в диапазоне изгибов от 0 до 10-14 мм, что соответствует углу сдвига 15-23°, в зависимости от длины датчика. Чувствительность датчика при изгибе в противоположных направлениях может сильно различаться.

Внутри деформируемого слоя на датчик кроме изгиба может депствовать нормальное сжатие, растягивающее усилие и касательная нагрузка. Проведет тарировки по этим видам нагрузок. Наиболее существенным является нормальное сжатие датчика, а остальные слишком малы и их можно не учитывать. Рабочая точность измерения изгиба ±0,7 мм, или 5-7% от наибольших его значений, что соответствует погрешности измерения сдвига ±(1,1-1,3° ).

При изготовлении модели из глинистой пасты в нее вводятся пять сечений, перпендикулярных к подложке и линии сочленения штампов,в каждом из которых по 20 тензодатчиков (рис.1). Общее количество датчиков в модели 100 шт. Датчики в сечении расположены по прямоугольной сетке в 5 рядов по ширине модели и 4 ряда в глубину. Размер модели 120x52x13 см. размер сечений 24x9 см, они расположены в 2 см от подложки и от поверхности модели, расстояние между сечениями 20 см.

Модели с введенными датчиками подвергались деформированию при скоростях смещения подложки 0,8 мм/мин и 6 мм/мин СО"6 и Ю-4 м/с, соответственно). Влажность глинистой пасты в разных опытах менялась от 29 до 38%,что соответсвует вязкости ненару- -

С . Q

шенной структуры материала от 10 до 10 Па-с.

С целью оценки влияния сечений на возникающую в модели сеть трещин был использован метод А.В.Михайловой /Михайлова,1971/. На поверхность недеформированной модели над сечениями была нанесена сетка колец. Анализ карт тюля сдвиговых деформаций показал, что влияние сечения на поверхностное поле сдвиговых деформаций мало, а измерения, полученные по тензо-датчикам, расположенным в приповерхностном слое, прямо пропорциональны измерениям по кольцам на поверхности в тех же местах модели.

С целью автоматизации обработки результатов опытов А.А.Бабичевым и автором разработан комплекс программ для сбора, декодирования и дальнейшего анализа экспериментальных данных.

По вышеописанной методике в период с 1982 по 1986 г.г. было проведено в общей сложности 45 экспериментов с различным количеством датчиков.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИИ В ЗОНЕ ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ СРЕЗА

Методом тектонического моделирования проведено исследование общих пространственно-времегашх закономерностей динамики полей деформаций и напряжений в объеме областей активного динамического влияния крупных сдвигов земной коры и литосферы при постоянстве тектонических сил.

Показано, что как средняя по всему изучаемому объему модели, так и в отдельных, даже небольших, частях этого объема, скорость сдвига изменяется во времени. Изменения эти сложны, неравномерны, наблюдаются резкие скачки, пики скорости сдвига, сменяющиеся столь же резкими понижениями или другими скачками. В некоторых случаях амплитуда гожа может превышать все остальные вариации скорости сдвига в 2,5-3 раза, при этом может одновременно активизироваться до 90% объема сдвиговой зоны.Поред большими пиками, как правило, происходит деформациошюе затишье, после них часто следуют через малый промежуток времени пики значительно меньшей амплитуды, после чего наступает спад активности. Внешне изменения скорости сдвига бессистемны. С целью поиска закономерностей в изменениях скоростей сдвига проведен корреляционный и спектральный анализ. Установлено, что изменения поля скоростей сдвига и напряжений во времени имоют колебательный характер. Во Еременннх колебаниях содержатся периодические составляющие. Спектр колебаний можно качественно описать как полимодалышй периодический с шумовой компонентой. В спектрах колебаний сродней по разрушаемому объему материала скорости сдвига выделяются три частотных диапазона, обладающие повышенными амплитудами колебаний. Основываясь на аналогии с течением жидкости, можно утверждать, что при увеличении скорости деформирования разрушаемого упруговязкопластичного материала изменения скорости сданга и напряжений будут обладать все более слабой периодичность» к иоЕшеяной етохастичпостьм. Уменшетю скорости »юфомирокяпяя должно привести к лучшему шлелошш в спектре пернодтеских кошононт колебаний скорости сдвига и напряжений и уменьшению случайной составляющей.

В результате анализа изменения скоростей сдвига по пространству разрушаемого слоя отмечено, что в разные моменты вро-

1/®ш1 повышенным уровнем скорости сдвига и напряжений могут обладать различные части объема разрушаемого материала. Рассмотрение поля скоростей сдвига в последовательные моменты времени показало, что области повышенных скоростей сдвига перемещаются в объеме зоны разрушения. Это явление было названо миграцией. Установлены продольная, поперечная и вертикальная компоненты миграции, обладающие сложной структурой, включающей периодические составляющие. Компоненты миграции по разным пространственным направлениям не коррелируют между собой.

Эти закономерности будут проявляться не зависимо от того, кок задается сдвиговая деформация и в каком направлении относительно вектора силы тяжести происходит сдвиг. Анализ литературных данных показал, что эти закономерности присущи процессу множественного разрушения материалов с различной реологией.

Исходя из геометрии сдвиговой зоны, она была условно разделена на отдельные слои по различным пространственным направлениям (рис. 2). Наиболее активным по средней скорости сдвига оказывается центральный слой зоны, в котором будет сформирован магистральный разрыв. Уровень скоростей деформаций и напряжений в нем примерно в два раза выше, чем в любом другом слое зоны. Анализ автокорреляционных функций для центрального слоя зоны показал, что изменения скоростей сдвига в нем обладают существенным трендом и этим отличаются от других изученных слоев зоны. Следовательно, выделение центрального слоя (осевой области по терминологии Р.М.Лобацкой /1987/) оказывается вполне правомерным. Средние скорости сдвиговой деформации в подвижном крыле на 20% выше, чем в неподвижном крыле, что согласуется с известным геологическим фактом большей раздробленности подвижного крыла разломов. Среди горизонтальных глубинных слоев более активны верхний и нижний слои, в то время как скорости сдвига в середине модели на 20-30% меньше. Скорости сдвига в вертикальных поперечных слоях можно считать примерно одинаковыми.

В результате пространственно-временной неравномерности в различные моменты- времени повышенные и максимальные скорости сдвига и напряжения будут наблюдаться в разных частях зоны. В произвольный момент времени большим уровнем напряжений среди крыльев зоны с вероятностью 2/3 будет обладать подвижнее кры-

ло. По глубине разрушаемого слоя наибольшие вероятности наблюдения высоких скоростей сдвига имеют приповерхностный (48Ж) и ближайший к подлокке (32%) глубинные слои. Если же абстрагироваться от нижнего слоя (согласно подходу С.Стоянова /1977), то эта вероятность для приповерхностного слоя в 2,5 раза выше,чем у нижележащей толщи. Обнаружение максимальных скоростей сдвига на различных участках простирания зоны равновероятно.

Распространение разрушения в объеме деформируемого слоя оценивалось по скорости распространения некоторого нарушенного состояния материала, наступление которого в какой-либо части материала вызывает значительное увеличение в ней скорости сдвига. Для простоты скорость распространения такого состояния материала считалась скоростью фронта разрушения. Установлено, что скорость распространения фронта разрушения материала неравномерна во времени и неодинакова по. вертикали и в поперечном направлении зоны. Она зависит от скоростей сдвиговой деформации в той части зоны, в которой в данный момент времени находится фронт. Как поперечная, так к вертикальная составляющие скорости фронта выше скорости деформирования модели. При ее изменении на порядок поперечная составляющая скорости фронта меняется в 17-19 раз, тогда как вертикальная составляющая -в 5-7 раз. Следовательно", установленное ранее на аналогичных, моделях С.И.Шерманом • и др. /1983/ увеличение ширины области активного динамического влияния при росте скорости деформирования происходит за счет более быстрого роста поперечной составляющей скорости фронта разрушения материала по отношению к ее вертикальной составляющей.

Установлено, что по данным за короткий промежуток времени об изменения скоростей сдвиговой. деформации в приновехностном и центральном слоях зоны можно судить о состоянии поля только во всей зоне в целом, но не в отдельных ее частях. Имея информацию о современном состоянии какого-либо участка поверхности крупной сдвиговой зоны, нельзя экстраполировать ее не только на нижележащие слои, но даже на соседние участки поверхности этой же зоны. Однако, чем больше изученный объем по отношению к общему объему зоны, тем выше корреляция поведения поля скоростей с другими такими же по величине или большими частями объема зоны. Корреляция мевду крыльями зо»ш и всей зоной роена

0,7, между крыльями - уже 0,5. Таким образом, динамика поля скоростей сдвиговой деформации и напряжений в каждой части зоны индивидуальна. Тем не менее, между накопленными деформациями на поверхности и в глубинных частях зоны соответствие имеется, хотя нельзя считать его полным (рис. 3).

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

По теории подобия установленные закономерности справедливы для процессов деструкции в крупных сдвиговых зонах земной коры и литосферы, но они соблюдаются, как. будет показано ниже, и для сдвигов меньшего масштаба в тех случаях, когда проявляются неупругие свойства вмещающей среды.

Неравномерность развития.тектонических процессов отражается, в первую очередь, на характере современных вертикальных и горизонтальных движений. Анализируя состояние проблемы голо-ценовой тектоники, В.Г.Трифонов /1987/ отмечает, что все голо-цековые тектонические образования при изучении их в реальном масштабе времени с помощью различных датировок показывают ■ сложное, порой весьма неравномерное, импульсное течение процессов. Однако результаты, получаемые по деформациям четвертичных отложений и современного рельефа, сложно охарактеризовать числом и точно привязать по времени. О знакопеременном колебательном характере современных высокочастотных движений пишет А.А.Никонов /1986/. Выявить временные периодичности их , для какой-либо конкретной разломной зоны не представляется возможным ввиду недостаточности и фрагментарности данных. Измерения деформаций и напряжений с помощью помещаемых в неглубокие скважины датчиков различных типов показывают сложный и неравномерный характер изменений напряженно-деформированного состояния в приповерхностных слоях зон разломов /Вгош,1974; Clark, 1982/.

Для выявления неравномерности, периодичности тектонических движений в областях активного динамического влияния разломов в качестве индикатора может служить сейсмичность. Мнение о пространственно-временной неравномерности сейсмичности на любой сейсмоактивной территории, о ее дискретном характере можно

считать общепринятым. Периодичности в изменениях сейсмичности варьируют от единиц до первых десятков дет, что определяется, в первую очередь, длительностью интервала инструментальных наблюдений. Обнаружена наложенность сейсмических циклов разных порядков. Следовательно, экспериментально установленные неравномерность, колебательний характер, сложный спектральный состав колебаний поля скоростей сдвиговых деформаций и напряжений при постоянстве геодинамического режима являются аналогами закономерностей, присущих тектоническим движениям и сейсмическому процессу. Эти закономерности характерны для пластического, квазиплостического течения и множественного разрушения различных материалов. Неравномерность и -колебательный характер квазипластических деформаций объясняются смещениями по сети взаимодействующих разрывов. Взаимодействие сети локальных разрывов, составляющих области активного динамического влияния крупных разломов, можно считать одним из основных механизмов, вызывающих неравномерность и периодичность тектонических движений и сейсмичности в их з~нах.

Для обнаружения миграции по данным о деформациях различных геологических объектов и измерениям рельефа в разломной зоне необходимо иметь не только возможно более точную привязку отдельных актов деформации бо времени, но и данные для различных моментов времени о распределении деформаций в пространстве, что значительно усложняет задачу геологического исследования.

Миграции сейсмичности различных типов широко известны и описаны для ряда сейсмоактивных зон и структур. Значительный интерес сейсмологов к миграциям объясняется использованием их в качестве среднесрочного предвестника. Описаны миграции сейсмичности по разным пространственным направлениям относительно расположения главных структур. Для землятрясений 3 < M < 5 отмечен эффект чередования удаления и приближения к поверхности гипоцентров слабых землетрясений перед последующим сильным для участка разлома Сан-Андреас к югу от Сан-Бернардино /Чигарев и др.,1987/. На основе анализа слабой сейсмичности по разломам Сан-Андреас, Гиссарскому, бухарскому (в районе Газли) говорится о миграции активное™ относительно плоскости магистрального разрыва. Происходит чередование удаления и приближения очагов относительно плоскости. Свертывание процесса фиксируется про-

явлением слабых землетрясений в плоскости разлома /Чигарев, Свиридов, 1987/.

Особенно много внимания уделяется миграциям тектонических деформаций и сейсмичности вдоль крупных сейсмоактивных структур и поясов /Mogl, 1973,1988; Kasahara, 1979; Stuart, 1979; yoshlda, 1988 и мн.др./.Самым представительным примером систематической миграции служит последовательность землетрясений, произошедших при подвижках по Северо-Анатолийскому разлому с 1939 по 1967 гг.При этом в течение 20 лет в разломе происходило постепенное растрескивание /Касахара,1985/.

Установленную в опытах миграцию можно считать аналогом природного явления миграции активности тектонических движений и сейсмичности. Н.А.Логачев, С.И.Шерман и К.Г.Леви /1987/ проводят параллель между миграцией в эксперименте и миграцией сильных сейсмических событий вдоль сферы влияния единого протяженного сейсмоактивного разлома. Миграция, как и временная неравномерность, является характерным свойством процесса множественного разрушения, поэтому можно ожидать проявления отмеченных закономерностей миграции в тектонических и сейсмических процессах в областях динамического влияния разломов.

Неоднозначность взаимоотношения глубинных структур и приповерхностных геологических образований отмечает Ю.К.Щукин /1986/, говоря о серьезной опасности получения ложных выводов при объяснении очагов землетрясений с помощью данных о геологических структурах (блоках.разломах), видимых на поверхности, но не выраженных на глубине. Проблема эта глубоко анализировалась в работах В.И.Макарова /1986,1987/. Основываясь на многочисленных примерах явной несогласованности расположения очагов землетрясений с главными элементами активных приповерхностных структур, он вводит понятие о зонах активных глубинных деформаций. С.И.Голенецкий /1986/ пришел к выводу, что в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ) нет однозначного соответствия сейсмичности и известных элементов разломной тектоники, хотя в некоторых случаях тяготение полос концентрации эпицентров землетрясений к зонам крупных разломов не вызывает сомнений.

С.И.Шерман и Ю.И.Днепровский /1989/ установили, что региональные поля тектонических напряжений, реконструированные геолого-структурными методами для БРЗ в целом, наилучшим образом

соответствуют полям тектонических напряжений по механизмам очагов индивидуальных определений с М>5,5 (сходимость по типам напряжений и ориентации главных векторов), в меньшей степени -очагам землетрясений с М <5,5 (сходимость в основном по ориентации главных векторов). Наименее соответствуют геологическим данным поля напряжений, восстановленные групповым способом. Интересно, что сравнение геолого-структурных данных, результатов индивидуальных определений механизмов очагов и группового способа для центральной части Байкальской рифтовой зоны показывает полную сходимость полей напряжений как по ориентации, так и по типам. Эти сведения могут быть объяснены как несоответствие полей деформаций и напряжений на поверхности синхронному состоянию в глубинных слоях. Это несоответствие является следствием пространственно-временной неравномерности процесса разломообразования при множественном разрушении, деформации в плотной сети взаимодействующих региональных и локальных разломов, что справедливо для флангов Байкальской рифтовой зоны. При этом ориентация векторов главных напряжений отражает общность регионального поля на всех глубинных уровнях, а варьирование типа напряжения соответствует возникновению в объеме разноориентированных разрывов. Отметим, что для центральной части БРЗ, где напряженно-деформированное состояние определяется наличием гигантского магистрального раздвигового разрыва -оз.Байкал- геолого-структурные и сейсмические данные о тектонических полях напряжений полностью совпадают. На этом этапе развития поле скоростей сдвиговых деформаций и напряжений однородно по всей глубине. Совпадение данных для землетрясений с М>5,5 на флангах может Сыть обусловлено тем, что этими сильными событиями подготавливаются сегменты будущего магистрального шва.

. Таким образом, установленное в эксперименте несоответствие синхронных изменений поля скоростей сдвиговых деформаций и напряжений в приповерхностном слое модели и в ее глубинных слоях при постоянном геодинамическом .режиме и однородности субстрата, являющееся следствием пространственно-временной неравномерности и колебательного характера полей деформаций и напряжений, может служить одной из причин наблюдающегося в областях активного динамического влияния разломов несоответствия

поверхностного плана деформаций и сейсмической активности глубинных горизонтов земной коры и литосферы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По специально разработанной автоматизированной методике изучались сдвиговые деформации и их скорости в объеме формирующейся при постоянной скорости деформирования в упруговязко-пластичной модели зоны среза (продольного сдвига). В ней установлены:

1. неравномерность шля скоростей сдвиговой деформации и напряжений во времени и пространстве, реализующаяся: а) во временных колебаниях, спектр которых можно качественно определить как полимодальный периодический с шумовой компонентой; б) в пространственных колебаниях - миграции, обладающей периодическими составляющими. Установлены продольная, поперечная и вертикальная компоненты миграции по отношению к оси среза. Анализ литературных данных показал, что эти закономерности присущи процессу множественного разрушения материалов с различной реологией.

2. общим эффектом вариаций скоростей сдвиговой деформации является неодинаковая деформированность различных частей зоны сдвига. Соотношение уровней средних скоростей сдвига в подвижном крыле, центральном слое и неподвижном крыле 1,2:2:1 соответственно. Соотношение для приповерхностного слоя, средней части разреза зоны и ближайшего к подложке слоя 1,3:(1-»1,1):1,3. Таким образом, наибольшей средней скоростью сдвига обладает центральный слой зоны. Подвижное крыло имеет на 205 больший уровень скоростей деформации и напряжений по сравнению с неподвижным крылом. Среди горизонтальных глубинных слоев выделяются ближайшие к верхней и нижней границам модели слои, в средней час-ти разреза наблюдается их поникание.

3. вероятности обнаружения повышенных уровней скоростей сдвиговой деформации в различных частях зоны сдвига в произвольный момент времени протекания процесса. Среди крыльев вероятность обнаружить повышенные скорости сдвига в подвижном криле вдвоо выше, чем в неподвижном. По глубине наибольшие ве-

роятности имеют приграничные слои. По простиранию зоны обнаружение повышенных скоростей сдвига в произвольный момент времени равновероятно.

4. соотношения поперечной и вертикальной компонент скорости фронта разрушения в объеме зоны сдвига. Установлено, что при изменении скорости деформирования модели на порядок поперечная компонента скорости фронта меняется сильнее (в 17-19 раз), чем вертикальная (в 5-7 раз). Этим обусловлена зависимость ширины областей активного динамического влияния срезов от скорости деформирования моделей.

5. по данным за короткий промежуток времени о состоянии шля скоростей деформации и напряжений на каком-либо участке поверхности зоны сдвига нельзя судить о синхронном состоянии поля в более глубоких слоях и в соседних поверхностных участках деформируемого объема зоны. Это является следствием прост-ранстЕенно-Еременной неравномерности поля. Между накопленными за весь период формирования сдвига деформациями на поверхности и в глубинных частях зоны соответствие имеется, хотя нельзя считать его полным.

Для сопоставления экспериментальных и натурных наблюдений проведен анализ литературных источников, который показал, что известен большой круг геологических процессов, особенности протекания которых могут быть объяснены установленными в-эксперименте закономерностями динамики полей деформаций и напряжений при множественном разрушении. К ним относятся: неравномерность, 'импульсный характер, цикличность современных тектонических движений; периодичности активизации и миграции слабой сейсмичности и сильных землетрясений; несоответствие поверхностного плана деформаций и сейсмической активности глубинных горизонтов земной коры и литосферы; характер фдюидопро-водимости и локализации месторождений полезных ископаемых в областях активного динамического влияния разломов. Закономер-номерности динамики полей деформаций и напряжений в зонах разломов необходимо учитывать при ретроспективном и перспективном прогнозах хода различных геологических процессов.

Использованная в работе новая автоматизированная методика измерения сдвиговых деформаций в объеме материала может быть применена как в тектонических экспериментах для. изучения полей

деформаций и напряжений в зонах разломов различных морфогене-тических типов, так и при решении задач в областях горного дела, строительства и мн. др.

Экспериментальные результаты, согласно теории подобия, можно применять для крупных сдвиговых зон, развивающихся в' толщах мощностью порядка 100 км в течение первых десятков млн. лот, однако имеются основания с известной осторожностью приложить полученные закономерности к сдвигам меньшего пространственно-временного масштаба в тех случаях, когда реологию субстрата можно считать существенно неупругой.

Основные работы по теме диссертации:

1. Шерман С.И., Борняков С.А., Будцо В.Ю. Оценка зон динамического влияния разломов по экспериментальным данным // Разломы и эндогенное оруденение трассы БАМ. - М., 1982. - С. 180-184.

2. Буддо В.Ю., Трусков В.А. Поля напряжений внутри модели при формировании среза // Экспериментальная тектоника в реше- • нии задач теоретической и практической геологии. Тез. докл. Всесоюз. симпозиума. - Новосибирск, 1982. - С. 39-40.

3. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). - Новосибирск: Наука, 1983. - 112 с.

4. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. и др. Некоторые итоги моделирования образования сейсмоактивных разломов в уп- . руго-вязкой среде // Исследования по созданию научных основ прогноза землетрясений в Сибири (оперативная информация).

- Иркутск, 1984. - С. 35-39.

5. Буддо В.Ю. Физический смысл коэффициентов в уравнениях связи параметров областей активного динамического влияния разломов // Эксперимент и моделирование в геологических исследованиях. - Новосибирск, 1984. - С. II7-I23.

6. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Рекомендации по оценке ширины зон приразлошшх структурных изменений (по результатам физического моделирования). - Иркутск: ИЗК СО АН СССР, 1985. - 42 с.

7. Шерман С.И., Борняков O.A., Будцо В.Ю. и др. Моделирование механизма образования сейсмоактивных разломов в упруго-вязкой среде // Геол. и геофиз. - 1985. - Л5 10. - С. 9-19.

8. Будцо В.Ю., Бабичев A.A. Закономерности развития деформации в зоне формирующегося сдвига (результаты моделирования) // Экспериментальная тектоника в решении задач теоретической и практической геологии. Тез. докл. Второго Всесоюз. симпозиума. - Киев, 1987. - С. 59-60.

9. Бабичев A.A., Будцо В.Ю. Автоматизированный эксперимент по изучению динамики поля сдвиговых деформаций в модели среза // Матер, конф. мол. ученых Ин-та геол. и геофиз. СО All СССР. - Новосибирск, 1988. - С. 39-47. - Деп. в ВИНИТИ 27.04.88., J6 3309-В88.

10. Будцо В.Ю., Бабичев A.A. Колебательный характер поля скоростей сдвиговых деформаций при разрушении упруговязкоплас-тичного материала // Всесоюзная школа-семинар "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (г. Иркутск 14-22 сентября 1988 г.). Тез. - Иркутск, 1988. - С. 12-14.

11. Шерман С.П., Борняков С.А., Буддо В.Ю. и др. Комплексное изучение динамики развития крупных разломов на упруго-вязких моделях // Исследования по поискам предвестников землетрясений в Сибири. Новосибирск, 1988. - С. 9-21.

12. Будцо В.Ю., Бабичев A.A. Миграции деформаций в развивающихся зонах крупных сдвигов (моделирование) // Активные разломы: методы изучения, морфология, кинематика, геодинамика. 4.1. Тез. - М.-Иркутск, 1989. - С. 4.

13. Буддо В.Ю., Бабичев A.A. Методика эксперимента по изучению поля сдвиговых деформаций в объеме упруговязкоплас-тичной модели / ФТПРПИ. - 1990. - ü I. - С. 38-44.

14. Шерман С.И., Семинсяий К.Ж., Борняков С.А.,Будцо В.Ю. и др. Разломообразование в литосфере. Зоны сдвига. - Новосибирск: Сибирское отделение, Наука,1991.- (22 авт.л.,в печати).

^

ЕНЭ-ЕО

Э£ЗШ-ЕВО

3--ЕНЭ-ЕНЭС

ЕЭ-Е

3-Е

3-Е

3-Е

-V

' 2

Рис. I. Расположение датчиков в модели, а - расположение сечо-ний в недеформированной модели (вид сверху), б - размещение датчиков в сечении. I - подвижный штамп, 2 - неподвижный штамп, 3 - модель, 4 - линии сечений, 5 - тензодатчики.

ПК о НК

щ

2 А

тш

1-

ПК ЦС НК

2 3 4 ПС

Рис. 2. Условное деление модели на слои и графики относительных средних скоростей сдвиговой деформации в соответствующих слоях 7/7т|Г. А - поперечное пространственное направление: Нецентральный слой, ПК(НК) - подвижное (неподвижное) крыло. Б -вертикальное направление: ГС1-ГС4 - глубинные слои. В - продольное направление: ПС1-ПС5 - поперечные слои.

Рис. 3. Неполное соответствие поверхностной структурной картины и поля сдвиговых деформаций распределению накопленных центовых деформаций по поперечному вертикальному сечению модели (А - А')• Изолинии оцифрованы в относительных единицах.