Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Динамические процессы в горных породах и океане вблизи сейсмического источника

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Динамические процессы в горных породах и океане вблизи сейсмического источника"



\-го чит-г-

Министерство геологии СССР

Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт геологических, геофизических и геохимических информационных систем (ВНИИГЕОИНФОРМСИСТЕМ)

На правах рукописи УДК 550.341:551.51

Борис Вульфович ЛЕВИН

I

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ И ОКЕАНЕ ВБЛИЗИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА

Специальность 04.00.22 — «Геофизика»

Специальность 01.02.07 — «Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1989

Работа выполнена в Институте горного дела им. А. А. Ско-чинского и в Сахалинском комплексном научно-исследовательском институте ДВНЦ АН СССР.

.Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент АН СССР С. С. Григорян,

доктор физико-математических наук, профессор Е. Н. Пелиновский,

доктор физико-математических наук И. С. Файзуллин Ведущая организация:

Физический факультет Московского государственного университета

Защита диссертации состоится «__»___ 1990 г.

в _ часов на заседании специализированного совета

Д.071.10.01 при Всесоюзном научно-исследовательском про-ектно-конструкторском и технологическом институте геологических, геофизических и геохимических информационных систем (ВНИИГЕОИНФОРМСИСТЕМ).

Адрес: 113105, г. Москва, Варшавское шоссе, д. 8, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИГЕОИНФОРМСИСТЕМ.

Автореферат разослан «_»___1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор геолого-минералогических

наук В. С. ЛЕБЕДЕВ

Актуальность теш. Последствия сейсмических катастроф тре-ют расширения и углубления исследований процесоов, протекаю-к вблизи источника. Сведения о проявлении подводных земле-зясений, вызывающих катастрофические волны цунами на поберенье моретрясения на открытой акватории, до сих пор недостаточны и обеспечения наденной работы слунбы цунами. Динамические эф-!кты подводного вулканизма, представляющие значительную опас->сть для мореплавания, изучены относительно, слабо. Одной из шчин неудовлетворительного состояния изученности перечисление вопросов является изолированное, исследование гидродияаыи-!С1ШХ аспектов проблемы в отрыве от изучения динамики горных 1род. Такое искусственное-разъединение явлений представляется >вершенно недопустимым, если-учесть пространственный масштаб высокие динамические характеристики сейсмического события Злизи источника.

Таким образом, изучение динамических процессов во взаико-зязанной системе "горная порода-океан" я выявление основных цгономерностей я особенностей поведения этой системы вблизи зйствующего сейсмического источника представляют собой крупою научно-техническую проблему, имеющую важное народнохозяй-рвенное значение в плане развития и освоения сейсмоактивных }гионов страны.

Цель работы. Повышение эффективности прогноза опасности и зедупреадения катастроф в сейсмоактивных районах побережья и <еана путем установления закономерностей динамического взаимо-зйствия системы "горная порода-океан" вблизи сейсмического сочника.

Основные задачи работы. I. Выявление основных геофизичес-IX характеристик процессов, наблюдаемых вблизи заглубленного здводного сейсмоисточняка, и установление границ применимости 1алогий между этими процессами и явлениями, сопровождающими зйствие подводного и подземного взрыва.

2. Разработка методов исследования динамических процессов горной породе вблизи источника типа взрыва сферической и ци-«адрической симметрии.

3. Установление закономерностей проявления в горной пороз следуювдх эффектов:

- развития сильных разрушений с образованием полости;

- формирования зоны микронарушений с изменением структуры-

среда;

- образования области поднятия дна и сйльных колебаний грунта..

- 4. Определение параметров возникающих в водном слое гидродинамических потоков и областей акустической кавитации.

5. Установление механизма формирования моретрясений" и заг-кономерностей возникновения выбросов, куполов я струй над по- • верхностыо воды.

6. Разработка методов практического применения развитых представлений для решения задач геофизического и горно-технологического характера.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что автором Елервые;

- разработаны обоснованные представления о единой динамической системе "горная порода-океан", определяющей поведение среды вблизи сейсмического или взрывного источника;

- предложены и реализованы физические методы исследования динамики среды вблизи крупномасштабных сейсмоисточников различной симметрии;

-. установлены закономерности развития зоны микронарушений в горных породах, учитывающие влияние физико-механических свойств и структурных особенностей пород;

- получено решение задачи о.развитии камуфлетной полости при взрыве цилиндрического заряда в горных породах и грунтах;

- предложены и разработаны принципы регистрации параметров подводного землетрясения по проявлению эффекта акустической кавитации на поверхности водоема;

- предложен, обоснован и реализован метод исследования динамики моретрясений.

Разработанный в диссертации комплексный подход к решению поставленных задач,с помощью физического моделирования подводного сейсмического источника возмущения, как взаимосвязанной системы "горная порода-вода", представляет собой новое перспективное научное направление в геофизике.

Научные положения, выносимые на защиту:

I. Аналитическое и экспериментальное обоснование необходимости исследования единой динамической системы "горная порода-океан" для получения достоверной информации о процессах вблизи подводного сейсмического источника.

2. Выявление и детальное исследование зоны остаточных ликронарушеняй в горной породе вблизи сейсмического или взрывного источника. Закономерности развития зоны микронарушений, а гакке камуйлетной полости и области поднятия грунта вблизи источника цилиндрической и сферической сшаетрии.

3. Разработка физических представлений о развитии акустической кавитации в приповерхностно?,; слое океана в период действия сильного подводного землетрясения.

4. Закономерности формирования куполов и высокоскоростных струй при действии глубоководных сейсмических источников плоской, цилиндрической, сферической и тороидальной симметрии.

5. Экспериментальное и теоретическое исследование динамики моретрясения как процесса параметрического Еозбукдения динамических волновых структур на поверхности океана при сейсмических колебаниях дна.

Практическая ценность работы отражена в решении ряда прикладных задач геофизического характера:

1. Предложен инженерный метод расчета действия кжуйлет-кого взрыва сквалшнного заряда, включенный в нормативные документы йинуглепрома СССР.

2. Разработан способ предварительного разупрочнения горных пород взрывом при проведении выработок, зацищещщй

A.C. 1427076 и используемый на шахта:: Донбасса.

3. Предложен кинематический критерий цунамигеяяости подводного землетрясения для использования в оперативной службе цунами.

4. Разработан и защищен A.C. 934404 .'способ определения параметров подводного землетрясения из космоса по регистрации эффектов акустической кавитации.

5.,Разработан способ формирования высокоскоростной струи сейсмоакустячеокиы источником тороидальной формы, защищенный A.C. 733337, IIIIII9.

Материалы, положенные в основу диссертации, получены ав-. тором в процессе его работы в Сахалинском комплексном научяо--исследовательском институте ДВНЦ All СССР в I972-8Ö гг. и .в Институте горного дела им.А.А.Скочинского АН СССР,''в 1981-89 гг.

Личный вклад автора состоит:

- в выдвижении физических идей разработки новых моделей' исследуемых геофизических процессов;

- в планировании, подготовке и реализации экспериментальных исследований на модельных установках, стендах и крупномасштабных полигонах;

- в разработке к создании новых инструкций модельных установок, оснащения полигона;

- в анализе, обработке и интерпретации экспериментальных и натурных материалов наблюдений;"

- в построении качественных решений ряда задач по механике горных пород и геофизической гидродинамике.

Апробация работы. Результаты настоящей работы докладывались: на ¡Лездународао» симпозиуме по нелинейной сейсмологии в г.Суздаль (1986 рук. Л.В.Николаев); на Всесоюзных совещаниях по проблеме цунами (1975, 1978, 1980, 1981, IS83, 1985, 1988 -рук. С.Л.Соловьев); на Всесоюзной конференции по механике горных пород (Тбилиси, 1985 - рук. Б.И.Шшш); на Ыевдув единственной комиссии по взрывному делу (1979, 1983); на научных семинарах в институтах Академии наук СССР: Физики Земли (1978, 1987, 1988 - рук. В.И.Родионов); Океанологии (1986 - рук. В.Е.Захаров, 1987 - рук.В.И.Каменкович); Атомной энергии (1986 - рук. В.Д.Шафранов); Физическом институте (1983 - рук. Ф.В.Бункин); Вычислительной Центре СО АН СССР (1987 - рук. Ю.И.Еокян); Институте морской геологии и геофизики ДО АН СССР ' (1987 - рук. К.Ф.Сергеев), на семинарах в МГУ (IS85 - рук. Я.Г.Синай, 1988 - pjac. А.М.Гусев), МИФИ (1987 - рук. А.Б.Ыиг-дал), МГИ (1987 - рук". Б.П.Кутузов), ГОШ (1986 - рук. С.С.Лап-по), Союзыорниипроект (I9C7 - рук. ¡0.1,1.Крылов), на Рабочей группе по турбулентности и структурам в г.Сочи (1286 - рук. В.Н.Ццтович), на Рабочей группе по моделированию динамических процессов в океане в г.Канев (1988 - рук. Ю.ДЛашечкин), на Всесоюзном семинаре по проблемам разрушения горных пород (1988 - рук. Е.И.Шемякин), на Методологическом семинаре ВПИИ-Геоинйормсистем (1989 - рук. О.Л.Кузнецов), на совместной сессии Отделений проблем машиностроения, механики и процессов управления и Отделения геолбгии,-геофизики, геохимия и горных наук All СССР (1989 - рук. К.В.Фролов), на Международном симпозиуме по цунами в г.Новосибирск (1989 - рук. А.С.Алексеев;.

По результата!.", работы опубликовано 36 научных трудов, получено 6 авторских свидетельств.

Объем я структура диссертации. Работа состоит из введе-

ля, шести глав я заключения; содержание изложено на 267 стра-дцшсмашинописного текста, включает СЗ рисунка и 23 таблицы, ¡иблиограТшю из 124 наименований.

В главе I выполнен анализ существующих представлений о •еофизяческих процессах вблизи очага подводного землетрясения : вулканического взрыва, составлены таблицы, содержащие коли-гественную информацию по 196 события!.;, приведены количествен-[ые оценки характеристик дянамичесхсях процессов. Рассмотрены юновные явления, возникающие при взрыве зарядов цилиндрической [ сферической формы в горной породе и в воде. Установлена [ринципиальная возмокность использования методов физики взрыва ум изучения динашческих процессов вблизи сейсшисточншса.

Отмечено, что систематическое изучение эффекта вблизи юдводного сейскоисточника до последнего времени практически те производилось. В то же время в исследованиях по отдельным юпектам проблемы возбудцения цунами известных успехов добились галлективы ученых под руководством А.С.Алексеева, С.Л.Соловье-за, Ю.И.Шокина, Н.З.Зволинского, Е.Н.ГЕеляновского, А.А.Иоплав-зкого. Эти работы, а такке результаты исследовании по геомеха-шке и гидродинамике взрыва, выполненные авторскими коллекти-зами, возглавляемыми С.С.Григоряном, М.А.Садовским, В.Н.Родио-ювым, 3.И.Шемякины:.!, В.Н.Николаевским, ¡.I.А.Лаврентьевым, О.С.Яковлевым, Б.В.Замышляевнг.':, В.К.Кедринским, Б.Д.Христофо-эовым были положены в основу настоящей диссертационной работы.

На представленное материале обзора показана необходимость зредаарятельного изучения динамических объектов в горной породе с учетом симметрии источника, после чего целесообразно перегадить к рассмотрению явлений в океане вблизи сейсмоисточника. Гакая последовательность изучения совокупности сейсмических явлений, схематически представленных на рис.1, позволит повысить достоверность и информативность получаемых решений. Отметим, что такой подход к изучению действия подводного сейсмодс-гочядка ранее не использовался и предложен нами впервые.

В качестве модельных источников, соответствующих реальным геофизическим системам (ситуациям), в диссертации рассматривается источники сферической, цижндрической, плоской и тороидальной симметрии. Первые три типа источников ;:гракгерззуотся значениям:: паоаметра сямкетиш V = 3; 2; I :: ¿¡"пводенкой п::ерп:ей £ = Е0 I. , где - полная опергшг источил-

Рис. 1. Обшая схема динамических явлений вблизи источника

Рис. 2. Радиус камуфлетной полости цилиндрического (1) и сферического (2) взрывного источника в горных породах. (А), грунтах (Б) и воде (В).

«Г* Ю'3 <0~г Ю'1 9,/ь

&

6 г

X У к*-" <¿1

1

ф. г* \2

\

Рис. 3. Зависимость радиуса области поднятия грунта от глубины расположения источника цилиндрической (1) . и сферической (2) формы

о г 4 в в ю /2 <ц

ка, и - характерный линейный размер. Для случаев V = 3 ц у ='2 используется понятие начального радиуса источника , как радиуса условного заряда с энергией, равной энергии источника, и понятие безразмерного радиуса Я- = /?0 , характеризующего размер области проявления некоторого ( ¿ -го) эффекта. Динамика процесса характеризуется числом Ыаха - М.

В данной главе сформулированы основные задачи-диссертационной работы, ориентированной на установление закономерностей развития следующих динамических эффектов:

I. Развитие сильных разрушений .в породе с образованием_ полости ( Й, ~ I, М ~1, V = 2; 3);

. 2. Формирование области поднятия дна и сильных колебаний грунта ( Дг~Ю2-Ю3; М ~ £0'2 - Ю-3; У = 2; 3);

3. Образование зоны микронарушений с изменением структуры породы ( ~103; М ~10-3; V = 2; 3);

4. Воникновение гидродинамических потоков различной продолжительности ( й ~Ю3; М~Ю_3; )> =. I; г =Ю~2-10°);

5. Появление акустической кавитации в приповерхностном слое океана ( Д5~Ю4; М ~ Ю~3-Ю~4; У =1);

6. Возникновение колебательных волновых структур

(«е - Ю4; М -Ю-4; V =1);

7. Формирование выбросов, куполов, струй над поверхностью воды ( Я10м - Ю~х; V = I; 2; 3).

Глава 2 посвящена исследованию закономерностей развития динамических процессов в горных породах при быстром выделении энергии в источнике.

Процесс образования полости при взрыве заряда в режиме камуфлета рассмотрен для случая цилиндрической и сферической симметрии источника. На основе использования закона сохранения энергии'и соображений размерности предложена простая расчетная модель для определения конечного радиуса полости, позволившая-получить следующую зависимость:

*/'" Л (?о&А//У ^

ИЛИ

где , - плотность и теплота взрыва ВВ (кг/м3, йк/кг),

6п - прочность породы на сааме (Па),

Р^ - (б* рп сгп)'/з - эффективная динамическая прочность породы (Па).

Значения численных коэффициентов, найденных в результате обработки обширного экспериментального материала, составляют

С 0,57 . (0,20 у =2

л = < ; Л/={ при (з)

1 0,84 I 0,44 у =3

Заметим, что для частного случая (V =3) зависимость, подобная (I), была ранее получена В.К.Родионовым (1962).

В рамках предложенной нами модели, подтвержденной экспериментами в различных материалах, установлен общий характер закономерности увеличения радиуса полости с уменьшением прочности среды для таких материалов, как скальные породы, рыхлые грунты и вода (ряс.2).

Обнаружена связь мевду камуфпетным действием взрывного источника в породе и размером области поднятия на поверхности порода или на границе раздела "порода-вода"'. Анализ выполненных экспериментов в сочетании с решением гидродинамической задачи в рамках подхода, развитого М.А.Лаврентьевым, позволили получить следующее соотношение для радиуса зоны поднятия £г :

где И - глубина заложения источника, - безразмерная величина минимального смещения границы раздела, зависящая'от симметрии и масштаба эксперимента; к и р - численные коэффициенты, определяемые в эксперименте. Графическая иллюстрация зависимости (4) и экспериментальных результатов представлена на рис.3. Численные значения констант составляют: для случая

)) = 2, = I, = 14^1; для случая )> = 3,

= 0,33*0,66 , к//)+ = 8-2.

Обнаружена и количественно исследована область развития микронарушений, в которой наблюдается эффективное затухание сейсмовзрывной волны и изменение микроструктуры породы, проявляющееся в уменьшения прочности породы и скорости распространвг

адя звука. Область микронарушений (Ш) является переходной зо-гой между областью разрушения породы,' примыкающей непосредственно к источнику, и областью распространения сейсмоакустлчес-кого сигнала, не вызывавшего изменений в породе (ряс.4а). Эксперименты, вшолненные нами по специально разработанной летодике с регистрацией изменения акустических, и прочностных свойств пород (рис.46), показали, что в пределах зоны Ш, радикс которой достигает Я2 =100-150, наблюдается уменьшение зкорости продольной волны в среднем на 20% и прочности породн-- на 40%. Относительные изменения этих параметров с удалением эт источника уменьшаются (рис.5а), а максимальный размер зоны, как видно из рис.56, обнаруживает четкую зависимость от начального значения скорости звука- з ненарушенной породе. Например, в слаболитифицярованных песчаниках ( С^ •< 3 км/с).наблюдается микронарушенность среды на значительном удалении от источника, а в сильнолитийицированных породах ( Ср > 4 ж/с) эффект проявляется существенно слабее.

Для определения предельного размера зоны ¡.М нами была ре-лена задача о движении элемента сферического (цилиндрического) слоя породы толщиной с/ под действием сейсмического импульса протяженностью д Я на расстоянии Д от источника энергии £с , в результате чего получено соотношение

■ д Г Е./-"3 А/?]^. Л2 (5)

^ К СУ ] ' I3

где р - плотность породы, С/, - скорость звука, - критическое значение массовой скорости, определяющее развитие нарушений в породе.

Сопоставление размеров характерных зон действия сейсмического источника в породе, приведенное на рис.6, показывает их зависимость от свойств породы и энергии источника. &пя зоны микронарушений обнаруживается аналогия с областью сильных сотрясений вблизи эпицентра землетрясения (плейстосенстоиая зона), размеры которой исследованы в работах Ы.А.Садовского с соавторами (1985), а также Ф.Ф.Аптикаева и Ю.Ф.Копничева (1979). Выполненный анализ вариация поля массовых скоростей позволил выявить связь меаду параметром ( Я V ) и энергией' сейсмического источника (рис.7) в виде приближенного соотно-

£ а>

(

0,5

Я 0

р

Лб" N

Ь лс *

а;

Л

I I I 1а I

у, Х-М^-Р, I

Г || |

ш ^100 Й 50

Рис. 4. Общие представления о зоне микронарушений (а) и схема эксперимента (б)

г 50 Ш 1 • Х-

• ^ •

• Ч.* Л • \

Ф

Ср.

км/с

Рис. 5. Характер изменения прочностных и акустических свойств породы в зоне МН (а) и зависимость радиуса зоны от свойств исходной среды (б)

ЮБ ю9 югг ю15Е0№ ю* г°7 109тУ-ёг

Рис. 6. Сопоставление размеров зон действия сейсмоисточника в породе

Рис. 7. Вариации поля массовых скоростей вблизи сейсмоисточника

шения Ее= ЮОО ( /? )3, которое выполняется для землетрясений' с иагнитудой от 4 до 7,5.

Установленные закономерности поведения породи вблизи сейсмического источника были полояены в основу представлений о сейсмическом источнике возмущений океана.

В главе 3 рассмотрены динамические процессы внутри водного слоя с позиций представлений физики ударных волн и газодинамики.

Проанализированы характеристики ударной волны, возникающей з воде при подводном землетрясении. Показано, что из общепринятых моделей распространения волны сжатия в воде наиболее приемлемо:: для описания данного процесса является адиабатическая модель, использующая уравнение состояния воды в форме Тэта. Рассмотрение явления в рамках адиабатического приближения показывает, что при числах ¡.¡аха порядка Ю-3 в воде формируется волна сжатия с амплитудой около I ¿Иа и сопровождающий- ее зафронтовой гидродинамический поток, способный переносить значительную энергию от дна к поверхности океана.

Указанные физические явления, существование которых подтверждается сейсмологической литературой, не находят объяснения в рамках акустического приближения. Известная ударно-волновая модель (Кирквуда-Бете; приемлема для описания эффектов сильного эксплозивного подводного извержения с характерными числами ГЛаха порядка I и практически непригодна для описания землетрясения.

Выполненные оценки параметров гидродинамических потоков позволили установить связь между магнитудой землетрясения, глубиной вода в районе источника и проявлением эффектов на поверхности океана. Использование гидродинамического подхода, развитого Я.Б.Зельдовичем (1956) в решении задачи о коротком ударе, позволило оценить влияние временного фактора.

Показано, что при характерных значениях-динамических параметров сильного землетрясения (массовая, скорость ~ 10 м/с, время действия ~ 1-10 с) толдаа придонного слоя нелинейно сжатой массы годы может достигать 100 м. Построение и анализ газодинамических диаграмм позволили установить, что кратковременное воздействие на годный слой вызывает образование потока с непродолжительным временем существования. Такой гидродинамический поток не способен вызвать Еозмущс'ше поверхности океана.

При достаточно продолжительном воздействии возмущение придонного слоя води может проявиться на поверхности, поскольку в этом случае в движение вовлекается достаточно большая часть водной толщи. При этом потери энергии оказываются значительно ниже, чем при коротком ударе.

Рассмотрена задача о возможности возникновения акустической кавитации в приповерхностном слое воды вблизи сейсмического источника. Поскольку значение амплитуды волны сжатия в воде при землетрясении может превышать I Ша, а предел прочности воды на растяжение составляет примерно 0,25 Ша, то возни-гяющие в зоне действия отраженной волны растягивающие напряне-' ние приводят к развитию кавитационных пузырьков и образованию откольных слоев- (рис.8). Применение метода расчета, разработанного Б.В.Зашшляевым и Ю.С.Яковлевым (1967) для задач гидроди- -намики взрыва, позволило нагл оценить- параметры кавитационной зоны в океане.

Глубина первого кавитационного разрыва сплошности водного слоя определялась по формуле

д = цв £п (, _ р*-- а) (6)

2 1 рт ) ,

где Се - скорость звука в воде, 9 - экспоненциальная постоянная затухания, Рт , Рк , Рн - давление в падающей волне, кавитационное и гидростатическое..

Для сильного подводного землетрясения получены следующие оценки: I), » 0,32 м, скорость смещения водной поверхности -около I м/с. Выполненные нами эксперименты, с взрывными источ--пиками различной формы в открытых водоемах и на гидростенде позволили зафиксировать облаоть кавитации я.уточнить методики расчета. На основе разработанных представлений был- предложен и защищен авторским свидетельством способ определения параметров сильного подводного землетрясения с борта авиакосмического средства.

В главе 4 представлены материалы исследования движения поверхности воды над заглубленным сейсмическим источником.

Эксперименты лроводилиоь с модельными источниками взрывного и электроразрядного типа, симметрия которых соответство- . вала симметрии определенных геофизических источников.

Симметрия модельного источника

1. Плоская

2. Цилиндрическая

3. Сферическая I. Тороидальная

Геоисточник

Землетрясение Разлом, трещинное извержение

Центральное изверпение Центральное извержение - стадия

В'экспериментах варьировалась энергия Е0 и глубина Н расположения источника д регистрировалась высота г подъема-купола (выброса, струи) со временем. Опыты выполнялись на спе-адально разработанных и изготовленных гидростендах и лаборатор-шх установках, на подготовленных и естественных открытых водоемах, что позволило проводить испытания на глубинах от'0,02 м Ю 5 м, изменяя энергию источника в диапазоне' от I кДж до [0^ кДж..Для изготовления взрывных источников использовался водоустойчивый детонирующий шнур промышленного производства и порошкообразный аммонит йбМВ. Регистрация осуществлялась с помощью комплекта аппаратуры, включающего камеры СКС-1Ы (скорость зъемки до 4350 кадров/с,, АКС (скорость до 60 кадров/с;, Конвас (скорость до 20 кадров/с), РфК-1 (скорость до 10 кадров/с). Обработка опытов производилась по увеличенным фотоотпечаткам полученных кинограмм двянения купола (рис.9).

В опытах исследовалось действие заглубленного динамического источника, когда глубина заряда превышает максимальный радиус газового пузыря, т.е. Такое ограничение обеспечивает удовлетворительное соответствие мекду модельным источником и его геофизическим прототипом.

Обработка обширного экспериментального материала (более 300 опытов, порядка 10000 измерений) с привлечением теории точечного взрыва и размерност.ного подхода позволила нал построить автомодельную зависимость, описывающую движение купола над источником плоской, цилиндрической и сферической симметрии

Л = к,н'-п(Ёьу9й) (7)

где р8 - плотность воды, к/ и П - числовые константы, определяемые в эксперименте. В частности, для рассмотренных ти-'

пов С1и::.:етрш1 источника вшюлшгогся следехцае соотношения; 1 = , У . /;

Установленные зависимости (7) представляют собой промежуточные асимптотики, описывающие определенную стадию формирования купола и справедливые для случая относительно большой за-глублеаности источника и ограниченного времени движения купола. Метод определения границ применимости асимптотик продемонстрирован на прииере действия сферического источника.

На материале экспериментов показано, что скорость движения купола удовлетворительно описывается соотношением

№

К = Кг

(8)

Эксперименты с тороидальным источником выполнялись с целью изучения условий формирования аномальных выбросов и высокоско- • ростных струй, наблюдаемых при подводных вулканических извержениях. При-постановке задач учитывалось также, что газовый пузырь тороидальной формы является в некоторых случаях продуктом эволюции сферического газового пузыря при всплывании последнего.

В развитие ранних работ В.А.Луговцова (1970) и В.К.Кед-ринского (1977) наши эксперименты- были ориентированы на получение более высоких плотностей энергии по оси 'тора. Это достигалось в опытах с электроразрядным и взрывным источниками за счет выбора определенного соотношения между энергией заряда Еа и радиусом а тора. По.лучеякые в опытах с тороидальным источником значения скорости струп.досглгали 100 м/с, что примерно в 3 раз'а превышает скорость движения купола от взрыва сферического заряда при разных условиях. Схема опытов и результаты представлены на рис.10.

Обработка экспериментальных материалов позволила построить аппроксимирующие зависимости для закона движения и скорос-

а

21

---

/

Ж

\( 1

■^шш^жтжтт^т

Рис. 8. Акустическая кавитация в приповерхностном слое океана (а), условия образования отраженной волны (б) и откольных слоев '(в) при подводном землетрясении

а)

Рис. 9. Схема экспериментов (а) и закономерности движения купола (б) при заглубленном взрыве источников плоской (X), цилиндрической (2) и сферической (3) симметрии

а)

)

\'

-О 7>-

10

10■

,-7

10

Л

ю

ю'2 ю'2 ю

,-2

о'7 А1 ан2

Рис. 10. Схема экспериментов с тороидальным взрывным источником (.а) и закономерность развития струи (б)

тя струи в виде

ЕЛ

к - к

4 9&с0а Нг

Ео

г рв с0 а и *

Числовые значения параметров в аппроксимирующих зависимостях, вычисленные из экспериментов, сведены в таблицу I.

Таблица I

Тип симметрии Численные значения

источника 1 параметра • показателя • коэффициентов

симметрии ! степени !- К1 ! *2

V ! П !

Плоская I 1,5 3 3

Цилиндрическая 2 2 1,5 1,5

Сферическая 3 2 1,0 0,8

Тороидальная - - ■ 5,3 5,3

Выполненные исследования позволили представить процесс формирования куполов и струй над подводным динамическим источником с единых общефизических позиций, предложить простые аппроксимации для описания процессов и выявить особенности движения поверхности воды над источниками различной симметрии.

Глава 5 посвящена исследованию динамики моретрясений, физическому моделированию этого геофизического явления и анализу установленных закономерностей.

Явление моретрясения, состоящее в появлении стоячих волн большой крутизны на ограниченном участке морской поверхности и сопровождающееся мощныЬш акустическими эффектами, связываю!г с развитием определенных колебательных движений морского дна при подводном землетрясении. Экспериментальное исследования этого явления ранее не проводились.

Накопленная сейсмо'логичёская информация, материалы каталогов .С.Л.Соловьева и Ч.Н.Го (1974); И.И.Гущенко (1979); Н.В.Шебалина и Н.В. Кондорской (1977) позволяют оценить вели-чини основных параметров моретрясения:

- горизонтальный размер возмущенного участка поверхности

1В

моря - до 50 км;

- амплитуда стоячих волн - до 5 м;

- глубина водной толщи - 1+5 км;

- амплитуда колебаний дна КГ* ь 10* мм;

- частота колебаний дна ~ I * 10 -Гц.;

- пиковое значение скорости колебаний дна - до I м/с;

- пиковое значение ускорения - до 10 м/с^.

Для моделирования моретрясений была сконструирована и изготовлена специальная виброустановка, оборудованная цилиндрическим резервуаром высотой 20 см и диаметром 50 см, в центральной части которого помещался диск диаметром 20.см, совершающий вертикальные колебания (рисЛ1а). Конструкция установки обеспечивала возможность варьировать частоту / колебаний подвижного диска от I до 30 Гц, амплитуду А колебаний - от 0,2 до 4,0 мм и создавать ускорения до 50 м/с'Ч

В процессе экспериментов был обнаружен эффект возникновения на поверхности колеблющейся жидкости динамических волновых • структур, подобных известной "ряби Фарадея" (1831). Аналогичные явления, связанные с параметрическим резонансом, исследовались С.С.Григоряном с соавторами (1969). В отличие от ячеек Фарадея, тлевших форму квадратов со стороной не свыше 2,4 см, в наших опытах появлялись самоорганизующиеся структуры с размером ячейки Я от 1,2 до 13,0 см д максимальной амплитудой

£ до 3,5 см. При этом наблюдалась как квадратная форма ячейки (при амплитудах колебаний А ' = 0,5 ь 2,0 мм), так и гексагональная форма (при А =0,25 мм). В некоторых случаях наблюдались также ячейки в виде одномерных валов.

Экспериментально установлен диапазон частот ( / = 8+23 Гц\ в пределах которого наблюдается возникновение структур, и обнаружены (рис.116) эмпирические зависимости размеров ячейки от периода Т колебаний диска ( Т = ) :

я = 9тг ; 9 =9'8

Отмечено, что в интервале исследованных глубин водного слоя.(от 3 до 18 см), характер установленных соотношений (10) не зависит от глубины. Установлено также, что коэффициент:усиления- колебаний .(. 'отношение амплитуд колебаний поверхности и ■

дна) достигает 60.

Особенности формирования полученных волновых структур, нелинейность эффектов, неравновесный характер процесса и обязательное условие открытости системы - все это свидетельствует о принадлежности описанного явления к классу дяссяпативкых структур.

Анализ законов дисперсия волн на воде показал, что полученные экспериментальные результаты удовлетворительно описываются дисперсионным соотношением для параметрических волн с "половинной" частотой (рис.11);

u = { = ^кд +к3 б/<?в , (II) где (л) , 00 = - частоты колебаний поверхности и дна;

Тт (

к - 2К

К — д - волновое число.

Качественная теория процесса возникновения волновых структур, разработанная автором совместно с Б.А.Трубниковым (1986).показала, что это явление обусловлено параметрическим резонансом и может удовлетворительно описываться нелинейным уравнением Матье вида

+ + = F(t), (12,

где S - возмущение поверхности жидкости при колебаниях дна по закону Z0(tj = Ac.QS cot со скоростью V0(t)--iiihs"Lnivt

и ускорением $д =-CU^AC-OSivt.Точками обозначена операция дифференцирования по времени.

Полученное решение уравнения \12) позволяет предложить удовлетворительное объяснение происхождению определенной геометрии ячеек и высокому уровню установившихся колебаний на поверхности воды.

Анализ полученного экспериментального (10) и теоретического (II) законов дисперсии для параметрических'волн свидетельствует о .-возможности возникновения волновых структур с простран-. ственным периодом ?i ~10 ы при периодах колебаний дна порядка

Т" = I с (рис.116). Подобные значения вполне типичны для геофизических эффектов вблизи сейсмоисточника.

а)

со, с-1

500

т

300 200 100

в>

(й

у

1 - А | БУ

1 гу/Д

I- 1

О 2 4- 6 В 10 к, см'1

10 Ю'7 70°

Рис. 11. Общая схема установки для моделирования моретрясений (а), обнаруженной экспериментальный (б) и теоретический (в) законы дисперсии параметрических•волн на воде

а)

2

/\ н /I 1

Шг X

,Но<

'¿А

Кц 0,16

0,11

0,08

0,04

б)

*

О 1 • 2 •

• V

7

М

Рис. 12. Принцип построения кинематического критерия цунэмигенности • подводного землетрясения на основе использования газодинамических диаграмм (а) и применение критерия (б) для разделения нецунамигенных и цунамигенных (2) землетрясений

Глава 6 включает описание практических приложений разработанных моделей и методов расчета применительно к задачам геофизического и горно-технологического характера.

6.1. На основе разработанных представлений об ударно-волновых процессах в водном слое (глава 3) и анализа газодинамических диаграмм (рис.12) предложен кинематический критерий цунамигенности подводного землетрясения в виде

к„ = Bä а ' аз)

L-AK VB

где fe и Va - длительность и скорость вспарывания разрыва в очаге землетрясения, VAK - время пробега акустической волны от дна к поверхности воды. На проанализированном совместно с С.Л.Соловьевым и Р.Н.Бурымской материале записей 33 нецу-намигенных и 28 цунамигенных землетрясений (рис.12, обозначения I и 2 соответственно) показана эффективность разделения землетрясений пороговым значением критерия Кцп = 0,02 в -широком диапазоне изменения магнитуд (5,4 < М < 8,2) и глубин океана ( 100 м < Н < 8000 м).

6.2. Анализ натурных наблюдений (глава 3) и экспериментальных исследований (глава 4) позволил нам разработать "Способ -оперативной оценки параметров сильного подводного землетрясения" по результатам обработки изображений поверхности океана. . Регулярная регистрация сейсмоактивных участков Мирового океана, циклическое сопоставление цифровых записей последовательных изображений и локализация области с измененным альбедо дает информацию о возникновении зоны акустической кавитации. Характеристики зоны кавитации служат признаками, по которым определяют параметры подводного землетрясения.

6.3. В результате выполненных исследований вариаций поля массовых скоростей вблизи сейсмоисточника \глава 2, и изучения динамики моретрясений (глава 5) предложена уточненная шкала моретрясений, в которую введены значения характерных скоростей движения воды, соответствующих определенной балльности землетрясения (таблица 2).

Шкала моретрясений

Таблица 2

Интенсивность колебаний водной поверхности Интенсивность колебаний скального дна Описание степени воздействия моретрясений на судах по А.Злбергу

балл моретрясения скорость колебаний, см/с балл по! скорость шкале | колебаний, Ин-та • см/с Физики ] Земли !

I 2 3 ! 4 5

I П

1У

У1

0,2+0,5 0,5+1,0

1*3

3+6

6+12

0,01 I 0,1-0,3

П 0,3-0,6 Е-1У 0,6-1,2

более 12 . 1У-У более 1,2

дрожание, легкий треск палубы

Отчетливый треск, сотрясение, как при легком царапании

Сильный толчок, как при налете на мель, скальное дно или риф. Громкий треск корпуса, колебание предметов.

Судно трещит и раскачивается, неустойчивые предметы опрокидываются

Люди не держатся на ногах, крупные пред-кеты опрокидываются и выскакивают из подставок, судно теряет ход, постройки тяжело скрипят

Судно может быть выброшено из воды, ломаются мачты и палубные постройки, аварийная ситуация.

6.4. Установленные закономерности формирования струи при взрыве тороидального заряда (глава 4) были положены в основу разработанных нами совместно с А.А.Поплавским ч А.С.Левиным конструкций оригинальных сейсмоакустичёских излучателей тороидальной симметрия. Острая диаграмма направленности таких яз-

лучателей обусловливает эффективность их применения в подводных геофизических и портостроительных работах.

6.5. Разработка представлений о развитии зоны микронарушений вблизи сейсмоисточшка (глава 2) завершилась созданием методик расчета действия камуфлетного взрыва скв&чсинного заря-, да, включенных в нормативные документы Ыинуглепрома СССР и разработкой "Способа проведения горных выработок", основанного на предварительном ослаблении крепкой породы взрывом опережающего скважинного заряда. Данный способ одобрен Научно-техническим Советом Института горного дела им. А.А.Скочинского и в настоящее время проходит опытно-промышленную проверку на шахтах Донецкого и Воркутинского угольных бассейнов.

ВЫВОДЫ

1. Разработана система представлений о взаимосвязи нелинейных сейсмических,и гидродинамических процессов вблизи геофизического источника, о типичной симметрии сейсмоисточшка, его динамических характеристиках и возможностях физического моделирования таких явлений, как подводное землетрясение и вулканическое извержение, с помощью заглубленного взрывного источника.

2. Предложена систематизация явлений, протекающих в горных породах дна и на поверхности возмущенного океана вблизи семсыоисточника, и разработаны оригинальные методы экспериментального и теоретического исследования этих явлений.

3. Выполнена серия уникальных экспериментов по исследованию динамики параметрически возбуждаемых волновых структур и построена теоретическая модель, проясняющая механизм действия моретрясения.

4. Созданы и реализованы методы экспериментального исследования и теоретическогр обобщения накопленной информации, в результате применения которых установлены закономерности, характеризующие размеры и интенсивность возмущении в горной породе и океане вблизи сейсмического источника.

5. На основании выполненных исследований, разработанных моделей и методов расчета были предложены, опубликованы и переданы для использования практические рекомендации и инженерные решения некоторых актуальных задач геофизического и горно-

24 »

-технологического направления:

а) предложен эффективный критерий цунамигешюсти подводного землетрясения, пригодный для использования в оперативной службе цунами;

б) создан и защищен авторским свидетельством (934404) способ оперативной оценки параметров подводного'землетрясения о борта летательного аппарата, основанный на использований гравитационных эффектов;

в)'предложена уточненная шкапа моретрясений, содержащая помимо описательных эффектов диапазоны изменения значений массовых скоростей, соответствующих баллам моретрясения;

г) созданы и защищены авторскими свидетельствами (733337, IIIIII9) конструкции сейсмических излучателей тороидальной симметрии, обладающих узкой диаграммой направленности и пригодных к использованию в подводных геофизических и порто-строительных работах;

д) разработан и проверен в промышленных экспериментах ин~. женерный метод расчета действия скважшного заряда в горном массиве, положенный в основу нормативных документов шнугле-прома СССР;

е) разработана, защищена авторским свидетельством (1427076) и проходит испытания на угольных шахтах принципиально новая технология проведения горных выработок, основанная

на использовании эффекта микронарушенности породы вблизи взрывного источника.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Замечания.об ударноволновом представлении механизма возбуждения цунами// Теоретические и экспериментальные исследования по проблеме цунами.-М.;лаука, 1977.--С.37-40 (Соавт. Сасорова Е.Б.).

2. Обзор работ по экспериментальному моделированию про-цесоа возбуждения цунаш/Д!етоды расчета возникновения и распространения цунами.-Н., Лаука, 1978. - С.125-139.

3. Поверхностные явления при подводных взрывах зарядов различной формы// Физика горения и взрыва. - 1979. - $ 5. -

' C.I4I-I45. (Соавт.Лавриненко В.Л., Сумин И.П.).

4. Лидарные методы исследования длинных волн*на морской

поверхности// Теория и оперативный прогноз цунами.-¡Л., Наука,

1980. - 0.154-158. (Соавт. Лысенко Б ,и,, Вог.отян В.Е.).

5. аяияние симметрии очага на формирование поверхностного возмущения в источнике цунами// Параметры очагов цунами-геиных землетрясений и особенности цунами, - Владивосток,

лзд.двйц ah ссор, isso. - с.зз-зз.

6. Некоторые результаты физического моделирования процесса возбуждения к распространения цунами// Вопросы долгосрочного и оперативного прогноза цунами.-йкно-Сахатаиск, Изд. ДВНЦ 'АН üQCP, 1981. (Соавт. Басов Б.И., йайстренко В.;.!., лоролев Ю.П. и др.).

7. Об очаге и гидромеханике подводного землетрясения// Распространение и набегание на берег волн цунами. - М., Наука,

1981. - 0.5-10.

8. О возмущениях поверхности океана, возбуждаемых извержением подводного вулкана// Ву.чканология и сейсмология. - 1981. -- I. - Ü.93-98. (Соавт. Басов Б.И., Дорфшн A.A., Харяа- . мов A.A.).

9. Кинематический критерий цунамигенности подводного землетрясения// Докл. "АН CJCP. - I98I.-T.26I. - JÜ 6. - 0.I325-I329. (Соавт. Бурымскея Р.II., Соловьев С.Л.),

10. Формирование султана при подводном взрыве тороидального заряда// Физика горения и взрыва. - Ii83. - Ш. -C.II5-I20. (Соавт. Басов Б.И., Дорфман A.A., Левин A.C., Поп-лавский A.A., Харламов A.A.).

11. Исследование некоторых нелинейно-акустических эффектов подводного землетрясения// краткосрочный и долгосрочный прогноз цунами: Тез.докл./ Всес. совещ. по цунами, Звенигород, сент. 1983 г. - ..1., Институт океанологии АН СССР,-1983. -C.8-S.

12. Движение водной поверхности над заглубленным импульсным источником возмущения// Совещание по цунами: Тез. докл./ Всес. совещание, Горький, сент. 1984 г. - Горький, Институт прикладной физики АЛ СССР, 1984. - С.100-103.

13. Об одной простой модели камуфлетного взрыва в скальном грунте// Физ.-техн. проблемы разработки полезных ископаемых (¿ТИШИ). - IÜ85. - 3 3. - С.35-40.

14. Вариации поля массовых скоростей в плейстосейстовой зоне подводного землетрясения// Докл. АН СССР. - 1285.26

т.Ж. - .'; 4. - C.84S-852. (Соавт. Соловьев С.Л.).

15. Формирование султана вди подводном взрыве сйоричес-кого и цвлщодичёского зарядов// Теоретические л экспериментальные исследования дэгановоановых процессов. - Втадивосток, Лзд. ДШЦ Ali СССР, 1985. - C.I75-I7S. (Соавт, Басов Б.И., Дорфман A.A., Левин A.C., Харламов A.A.).

16. Поле скоростей в плекстосеистовой зоне и количественная оценка иоретрясений// Состояние исследований и разработок по созданию единой автоматизированной системы "Цунами": Тез.докл./ Всес.совещ., Обнинск, сект. 1985 г. - Обнинск, ЦКБ Гядромет. приборостроения, 1285. - С.88. (Соавт. Б.П.Павлов, С.Л.Соловьев).

17. "Фазовые перехода!" в решетке параметрических волн на поверхности колеблющейся жидкости// Письма в КЭТФ. - 1986. -

- т.44. - вып.7. - C.3IÏ-3Ï5. (Соавт. Трубников Б.А.).

18. О формировании диссипативных стдуктур при моретрясениях// Докл. АН СССР. - IS86. - т.289. - J5 5. - C.I07I-I074. (Соавт. Александров В.2., Басов Е.Л., Соловьев С.Л.).

IS." Характерные шсзтабы и эффекты неаинейно-сейсмичес-кого действия взрыва в скальных породах// Нелинейная сейсмология/ Международный симпозиум, Суздаль, окт.1936 г. - М., Изд. И28 АН СССР, 1986. - С.4-5. (Соавт. Александров D.E.).

20. О взаимосвязи прочностных и акустических свойств породы в зоне предразрушающего действия взрыва// ЖПИШ. -

- IS87. - К 4. - С.45-48. (Соавт. Александров Б.Е., Кочанов А.П.).

21. Разупрочнение горного массива при физическом воздействии// М., ЩИЗИуголь, IS87. - 53 с. (Соавт. А.А.Журило, Г.А.Катков, В.Л.Трубников).

22. Динш'.шка проявлений эффекта взрывного предразрушения пород и возможности его применения// Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве: Тез.докл./Бсес. совет., Губкин, сент. 1988 г. - Ы.,.ЦП ВНТГО, 1988. - С.13. (Соавт. В.2.Александров).

23. Способ определения параметров подводного землётрясе-ния. Авторское свидетельство 934404, 1982. (Соавт; С.Л.Соловьев, А.А.Поплавекии и др.).

24. Способ Нормирования высокоскоростной жидкостной

струи. Авторское свидетельство 733337, 1980. (Соавт. А.А.Поп-лавский).

25. Источник сейсмоакустических сигналов. Авторское свидетельство IIIIII9, 1984. (Соавт. А.С.Левин, А.А.Поплавский).

26. Способ проведе1ШЯ горной выработки. Авторское свидетельство 1427076, 1988. (Соавт. Б.А.Грядущий, H.Н.Галопов и ДР. ).

'¿'/. Л оке effects in tsimasi sources: structures, streams, cavit-'i¿iovi // International tsunaci symposium: - Abstracts of 'papers / Intern, tsunami reetings, iiovosibirs!:, USSR, juiy X9-; - "i.vositirs~, 19^9. - P. L\-5 ( with S.L.Soloviev J.

Борис Вульфович ЛЕВИН

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ И ОКЕАНЕ ВБЛИЗИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

Подписано * к печати 20.12.89г. Т-18474 1,75 уч.-изд.л. . 100 экз. Тип. зак. 2527'

Институт горного дела им. А.А.Скочинского, 140004, г. Люберцы Моск. обл.

Типография Минуглепрома СССР, 140004, г. Люберцы Моск. обл.