Развитие зоны нарушенной породы в окрестности динамической подвижки по тектоническому разлому

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В статье приведены результаты 2D-расчетов процесса формирования зоны нарушенной породы при развитии динамического сдвига по горизонтальному тектоническому разлому. Исследованы различные режимы скольжения — субрелеевский (скорость распространения разрыва Vr не превышает скорости релеевской волны в среде) и сверхсдвиговый (величина Vr выше скорости поперечных волн). Рассмотрен вклад механизмов отрыва и сдвига в развитие нарушенной зоны вблизи разлома на разной глубине. Проведена оценка степени изменения физико-механических свойств массива на разных расстояниях от разлома. Показано, что на больших глубинах литостатические напряжения полностью подавляют отрыв, и разрушение породы происходит исключительно за счет деформации сдвига. На малых же глубинах механизм разрушения отрывом становится преобладающим. Сброс напряжений, связанный с появлением трещин отрыва, приводит к резкому уменьшению зоны разрушения сдвигом, которая локализована лишь в непосредственной близости от плоскости разрыва. Увеличение прочности на отрыв приводит к увеличению размеров зоны сдвигового разрушения. У сверхсдвиговых разрывов зона разрушения может иметь сложный, неодносвязанный характер. Изменение скорости распространения продольных волн Cp более чем на 15–20% имеет место лишь в непосредственной близости от плоскости скольжения на расстоянии 10–20 м. На больших расстояниях величина dCpCp не превышает 10%. На малых глубинах могут иметь место трещины отрыва, которые распространяются на значительные расстояния от плоскости скольжения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. М. Будков

Институт динамики геосфер имени академика М. А. Садовского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: gevorgkidg@mail.ru
Россия, Москва

Г. Г. Кочарян

Институт динамики геосфер имени академика М. А. Садовского РАН

Email: gevorgkidg@mail.ru
Россия, Москва

З. З. Шарафиев

Институт динамики геосфер имени академика М. А. Садовского РАН

Email: gevorgkidg@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Архипов В.Н., Борисов В.А., Будков А.М. и др. Механическое действие ядерного взрыва. М.: Физматлит. 2002. 550 c.
  2. Бернштейн В.А. Механогидролитические процессы и прочность твердых тел. Л.: Наука. 1987. 320 с.
  3. Будков А.М., Кишкина С.Б. Один из сценариев распространения “быстрых” разрывов при землетрясениях // Физическая мезомеханика 2024. Т. 27. № 2. С. 102–111. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2024_27_2_102-111
  4. Будков А.М., Кишкина С.Б., Кочарян Г.Г. Моделирование сверхсдвигового режима распространения разрыва по разлому с гетерогенной поверхностью // Физика Земли. 2022. № 4. С. 135–150. https://doi.org/10.31857/S0002333722040019
  5. Будков А.М., Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б. Оценка изменения проницаемости массива горных пород в окрестности подземного взрыва по экспериментальным данным и результатам численного моделирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2023. № 1. С. 12–21.
  6. Будков А.М., Кочарян Г.Г. О влиянии разрушения отрывом на формирование зоны нарушенного материала в окрестности динамического сдвига по разлому в кристаллическом массиве горных пород // Динамические процессы в геосферах. 2024. Т. 16. № 2. С. 1–10. https://doi.org/10.26006/29490995_2024_16_2_1
  7. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука. 1969. 420 с.
  8. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М. 1975. 176 с.
  9. Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС. 2016. 424 с.
  10. Кочарян Г.Г. Возникновение и развитие процессов скольжения в зонах континентальных разломов под действием природных и техногенных факторов. Обзор современного состояния вопроса // Физика Земли. 2021. № 4. С. 3–41. https://doi.org/10.31857/S0002333721040062
  11. Кочарян Г. Г., Будков А.М., Кишкина С.Б. Влияние структуры зоны скольжения разлома на скорость распространения разрыва при землетрясении // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25. № 4. С. 84–93. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_4_84
  12. Леонов М.Г. Морфоструктура внутриконтинентальных осадочных бассейнов и фрактальная геометрия // Динамические процессы в геосферах. 2022. Т. 14. № 1. С. 3–16. https://doi.org/10.26006/22228535_2022_14_1_3
  13. Леонов М.Г., Морозов Ю.А., Пржиялговский Е.С., Рыбин А.К., Бакеев Р.А., Лаврушина Е.В., Стефанов Ю.П. Тектоническая эволюция системы “фундамент–чехол” и морфоструктурная дифференциация осадочных бассейнов // Геотектоника. 2020. № 2. С. 3–17. https://doi.org/10.31857/S0016853X20020083
  14. Мелош Г. Образование ударных кратеров. М.: Мир. 1994. 335 c.
  15. Морозов В.Н., Татаринов В.Н., Маневич А.И. Моделирование напряженно-деформированного состояния эпицентральной зоны сильного землетрясения в Турции (Измит, 1999 г., M 7.4) // Вулканология и сейсмология. 2020. № 2. С. 43‒54. https://doi.org/10.31857/S0203030620020042
  16. Стефанов Ю.П., Бакеев Р.А. Формирование цветковых структур нарушений в слое геосреды при разрывном горизонтальном сдвиге основания// Физика Земли. 2015. № 4. С. 81–93. https://doi.org/10.7868/S0002333715040110
  17. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). Новосибирск: Наука. СО АН СССР. 1983. 110 с.
  18. Ampuero J.P., Mao X. Upper limit on damage zone thickness controlled by seismogenic depth // Fault Zone Dynamic Processes: Evolution of Fault Properties During Seismic Rupture. 2017. V. 227. P. 243–253. https://doi.org/10.1002/9781119156895.ch13
  19. Andrews D.J. Rupture Propagation with Finite Stress in Antiplane Strain // J. Geophys. Res. 1976. V. 81. P. 3575–3582. https://doi.org/10.1029/JB081i020p03575
  20. Andrews D.J. Rupture dynamics with energy loss outside the slip zone // J. Geophys. Res.-Sol. Ea. 2005. V. 110. P. 1–14. https://doi.org/10.1029/2004JB003191
  21. Collettini C., Carpenter B.M., Viti C., Cruciani F., Mollto S., Tesei T., Trippetta F., Valoroso L., Chiaraluce L. Fault structure and slip localization in carbon-ate bearing normal faults: an example from the Northern Apennines of Italy // Journal of Structural Geology. 2014. V. 67. P. 154–166. https://doi.org/10 .1016 /j.jsg.2014.07.017
  22. Drucker D.C., Prager W. Soil mechanics and plastic analysis or limit design // Q. Appl. Math. 1952. V. 10. P. 157–165. https://doi.org/10.1090/qam/48291
  23. Ida Y. Cohesive force across tip of a longitudinal-shear crack and Griffiths specific surface-energy // J. Geophys. Res. 1972. V. 77. P. 3796–3805. https://doi.org/10.1029/JB077i020p03796
  24. Kostrov B.V., Das Sh. Principles of Earthquake Source Mechanics. Cambridge Univ. Press. 2005. 286 p.
  25. Kolyukhin D., Torabi A. Statistical analysis of the relationships between faults attributes // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. P. B05406. https://doi.org/10.1029/2011JB008880
  26. Lapusta N.E., Dunham J.-P., Avouac M., Denolle Y. et al. Modeling Earthquake Source Processes: from Tectonics to Dynamic Rupture. Report to National Science Foundation. http://www.seismolab.caltech.edu/pdf/MESP_White_Paper_Main_Text_8_March_2019.pdf
  27. Moore D.E., Lockner D.A. The role of microcracking in shear-fracture propagation in granite // J. Struct. Geol. 1995. V. 17. № 1. P. 95–114.
  28. Okubo K., Bhat H. S., Rougier E., Marty S., Schubnel A., Lei Z., Knight E. E., Klinger Y. Dynamics, radiation and overall energy budget of earthquake rupture with coseismic off fault damage // J. Geophys. Res.-Sol. Ea. 2019. V. 124. P. 11771–11801. https://doi.org/10.1029/2019jb017304
  29. Perrin C., Manighetti I., Ampuero J.P., Cappa F., Gaudemer Y. Location of largest earthquake slip and fast rupture controlled by along-strike change in fault structural maturity due to fault growth // J. Geophys. Res. 2016. V. 121. № 5. P. 3666–3685.
  30. Poliakov A. N. B., Dmowska R., Rice J. R. Dynamic shear rupture interactions with fault bends and off-axis secondary faulting // J. Geophys. Res. -Sol. Ea. 2002. V. 107. № B11. ESE-6. https://doi.org/10.1029/2001JB000572
  31. Preuss S., Ampuero J.P., Gerya T., van Dinther Y. Characteristics of earthquake ruptures and dynamic off-fault deformation on propagating faults // Solid Earth. 2020. V. 11. P. 1333–1360. https://doi.org/10.5194/se-11-1333-2020
  32. Rice J.R., Sammis C.G., Parsons R. Off-fault secondary failure induced by a dynamic slip pulse // B. Seismol. Soc. Am. 2005. V. 95. P. 109–134. https://doi.org/10.1785/0120030166
  33. Scholz C.H. The mechanics of earthquakes and faulting. Cambridge: Cambridge University Press. 2019. 512 p. https://doi.org/10.1017/9781316681473
  34. Templeton E.L., Rice J.R. Off-fault plasticity and earthquake rupture dynamics: 1. Dry materials or neglect of fluid pressure changes // J. Geophys. Res.-Sol. Ea. 2008. V. 113. P. 1–19. https://doi.org/10.1029/2007JB005529
  35. Torabi A., Rudnicki J., Alaei B., Buscarnera G. Envisioning faults beyond the framework of fracture mechanics // Earth-Science Reviews. 2023. V. 238. P. 104358. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104358
  36. Xiao L., Nadia L., Ares J.R. Analysis of supershear transition regimes in rupture experiments: The effect of nucleation conditions and friction parameters // Geophysical Journal International. 2009. V. 177. № 2. P. 717–732. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2009.04091

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Постановка задачи: 1 — плоскость разлома; 2 — плоскость 2D-расчета процесса разрушения; 3 — зона нуклеации.

Скачать (242KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Соотношение между мерой прочности S, пиковой τu и остаточной τf фрикционной прочностью разлома, уровнем фоновых напряжений τ0.

Скачать (94KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Особенности соотношения параметров поля напряжений и прочности породы на различных глубинах для принятой постановки задачи: (а) — зависимости от глубины корня квадратного из второго инварианта тензора литостатических напряжений и предела прочности породы на сдвиг; (б) — зависимости от глубины диагональных компонент тензора литостатических напряжений в главных осях. Пунктиром показана прочность породы на отрыв. Расчеты проводились для случая фонового поля сдвиговых напряжений τ0 = 73.8 Мпа (по данным работы [Будков, Кочарян, 2024]).

Скачать (173KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Годографы вступления разрыва на различной глубине. Параметр S = 2.0.

Скачать (181KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Годографы вступления разрыва на глубине 9 км для разрывов с разным значением параметра S.

Скачать (165KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Годографы вступления разрыва на различной глубине.

Скачать (480KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Конфигурация зоны разрушения породы в нескольких вариантах расчета (вертикальный разрез). Черным цветом показана зона сдвигового разрушения, коричневым — зона комбинированного разрушения отрывом и сдвигом, зеленым и голубым — зоны разрушения отрывом. Ось абсцисс — приведенное расстояние вдоль разлома от точки инициирования; ось ординат y — расстояние от плоскости разлома по латерали в метрах. В вариантах расчета (а)–(д) S = 2; приведенное время . В варианте (е) — S = 0.7; . Глубина расположения разлома: (а), (г) — yf = 6 км; (б), (д) — yf = 7 км; (в), (е) — yf = 9 км. Варианты на рис. (г) и (д) — расчет без учета разрушения отрывом.

Скачать (400KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Пространственное распределение величины относительного изменения скорости продольных волн в массиве (вертикальный разрез): (а) S = 2; приведенное время , глубина расположения разлома yf = 6 км; (б) S = 0.7; ; yf = 9 км. Длина вдоль разлома (ось абсцисс) показана в приведенных единицах. Ширина по латерали (ось ординат) показана в метрах. Цветная шкала — величина .

Скачать (485KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025