Механика медленных перемещений по разломам и трещинам

Условия возникновения и возможность трансформации. Следствия и значение для снижения сейсмической опасности.

 

 

 

 

Достигнутые научные результаты представлены в виде серии научных статей и докладов на международных конференциях.

  1. МОНОГРАФИИ:

Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС, 2016. 424 с.

Иванченко Г.Н., Горбунова Э.М. Использование данных дистанционного зондирования участков земной коры для анализа геодинамической обстановки. М.: ГЕОС, 2015. 112 с.

 

  1. ПУБЛИКАЦИИ (с аннотациями)

    Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б., Новиков В.А., Остапчук А.А. Медленные скольжения по разломам. Условия возникновения, перспективы исследований // Геодинамика и тектонофизика, 2014, том 5, № 4, p.863-891.

    Аннотация: В статье рассматриваются явления медленного скольжения по разломам и трещинам. Эти режимы межблоковых перемещений, которые регистрируются на разном масштабном уровне, можно считать переходными от квазистатического стабильного скольжения (крипа) к динамическому срыву (землетрясению). К ним относятся сейсмогенные явления скольжения по разломам со скоростями на 1-3 порядка ниже, чем при «нормальных» землетрясениях, а также эпизоды асейсмического скольжения. Открытие этих явлений в значительной степени изменяет понимание того, как реализуется энергия, накопленная в процессе деформирования земной коры. Изучение условий возникновения и эволюции переходных режимов может дать новую важную информацию о структуре и закономерностях деформирования разломных зон

    Besedina A.N., Kishkina S.B., Kocharyan G.G. Effect of deformation properties of discontinuities on sources of mining-induced seismicity in rocks. Part I: In situ observations // Journal of Mining Science, 2015, vol. 51, Issue 4, p.707-717.

    Аннотация: Проанализированы каталоги сейсмических событий рудников Польши, Финляндии, Канады, России и Южной Африки при ведении горных работ. Оказалось, что для рассмотренных событий приведенная сейсмическая энергия может изменяться на 2 - 3 порядка при одном и том же значении сейсмического момента. Верхняя граница диапазона соответствует “жестким”, а нижняя - “мягким” очагам. Наиболее вероятной причиной столь большого разброса значений приведенной энергии представляется вариация свойств нарушений сплошности, связанная с изменением вещественного состава материала-заполнителя трещин и обводненности массива.

    Будков А.М., Кочарян Г.Г., Остапчук А.А., Павлов Д.В. Влияние жесткости нарушений сплошности породного массива на излучательную эффективность очагов индуцированной сейсмичности. Часть 2: Лабораторные и численные эксперименты // ФТРПРИ, 2015, №6, c.28-34.

    Аннотация: Вариации прочности породы и различия в напряженном состоянии массива не могут объяснить наблюдаемой разницы в эффективности излучения сейсмических волн отдельными событиями, расположенными в пределах одного горнодобывающего предприятия. Выполненные лабораторные и численные эксперименты показали, что при несущественных изменениях предельной прочности трещины различие в сдвиговой жесткости приводит к радикальному изменению КПД сейсмического события. Полученные в лабораторном эксперименте соотношения между ключевыми параметрами необходимо учитывать при построении геомеханических моделей натурных объектов.

    Кочарян Г.Г., Остапчук А.А., Павлов Д.В., Ружич В.В., Батухтин И.В., Виноградов Е.А., Камай А.М., Марков В.К. Экспериментальное исследование различных режимов скольжения блоков по границе раздела. Часть 2. Полевые эксперименты и феноменологическая модель явления // Физическая мезомеханика, 2015, т.18, №6, с.75-85.

    Аннотация: Представлены результаты натурных экспериментов, в которых исследовались различные режимы гравитационного соскальзывания блока по естественной поверхности разлома. Использование в качестве заполнителя межблокового контакта различных материалов позволило реализовать весь спектр деформационных событий. Последние можно условно разделить на три группы: ускоренный крип, медленные подвижки, динамический срыв. В экспериментах показано, что тип деформационных событий, которые могут быть реализованы, определяется как структурными параметрами межблокового контакта, так и вещественным составом его заполнителя.

    Разработаны основы новой геомеханической модели возникновения динамических событий разного типа. В основе модели лежит представление о том, что в процессе сдвигового деформирования субнормально к берегам трещины образуются «контактные пятна» - кластеры силовых мезоструктур, эволюция которых определяет режим деформирования. Пространственная конфигурация «контактных пятен» сохраняется на протяжении всего цикла «нагружение - срыв» и перестраивается в результате динамического события. Разрушенные силовые мезоструктуры способны замещаться аналогичными образованиями под влиянием сил межгранулярного взаимодействия, когда внешнее воздействие будет полностью скомпенсировано. До тех пор пока «контактные пятна» разрушены не полностью, динамика деформационного процесса определяется их реологией. При деформировании трещины, заполненной неоднородным материалом, миграция «контактных пятен» приводит не только к изменению параметров деформирования, но и к трансформации самого режима вследствие изменения реологии локальных участков межблокового контакта.

    С использованием фрактального анализа установлено, что для зарождения динамических срывов необходимо формирование пространственно-структурированных «контактных пятен», характеризующихся малой фрактальной размерностью; а события медленного скольжения могут существовать лишь в определенной параметрической области, названной нами «купол медленных событий». Установлено, что вероятность формирования медленных подвижек выше на участках разломов, характеризующихся максимальными значениями фрактальной размерности: в окончаниях разломов, в зонах их ветвления и взаимного пересечения.

    Kocharyan G.G., Ostapchuk A.A. Acoustic emission during different-type inter-block movements // Journal of Mining Sciences, 2015, vol.51, №1, p.1-9.

    Аннотация: Представлены результаты лабораторных экспериментов, в которых исследован сейсмоакустический эффект, наблюдаемый при различных режимах смещения по границам между блоками горной породы. Тот факт, что косейсмические перемещения при техногенных землетрясениях происходят по существующим границам раздела, служит основанием относительно простой постановки экспериментов на установке “слайдер”-модели. Использование различных материалов в качестве заполнителя трещины позволило смоделировать весь спектр возможных деформационных режимов. Последние, с известной долей условности, можно разделить на три группы. Первая — крип, или стабильное скольжение; вторая — нестабильное скольжение; третья — регулярное прерывистое скольжение, или стик-слип. Показано, что статистика акустических событий, излучаемых в процессе скольжения, описывается распределением Гутенберга – Рихтера. При этом наиболее крупные “характеристические” события при сдвиге происходят квазирегулярно с вероятностью значительно выше, чем следует из закона повторяемости. Установлена функциональная связь между потоком излученной энергии акустической эмиссии (АЭ) и скоростью деформации нарушения сплошности.

    Kocharyan G.G. Radiation efficiency of earthquake sources at different hierarchical levels // AIP Conf. Proc., 2015, Vol.1683, 020086

    Abstract: Such factors as earthquake size and its mechanism define common trends in alteration of radiation efficiency. The macroscopic parameter that controls the efficiency of a seismic source is stiffness of fault or fracture. The regularities of this parameter alteration with scale define several hierarchical levels, within which earthquake characteristics obey different laws. Small variations of physical and mechanical properties of the fault principal slip zone can lead to dramatic differences both in the amplitude of released stress and in the amount of radiated energy.

    Ostapchuk A.A., Pavlov D.V. Investigation of self-organization processes of thin granular layers under shear // AIP Conference Proceedings, 2015, vol.1683, 020169.

    Abstract: We present the results of laboratory experiments, in which the regularities of shear deformation of thin granular layers were studied by an acoustic emission method. In the course of evolution of the interblock contact filled with a granular material, internal dynamic processes are manifested in the formation of high-frequency elastic waves. Quantitative and qualitative changes of acoustic emission parameters allow us to judge internal dynamic processes, which take place in a thin granular layer of the interblock contact. The findings indicate that a process of contact weakening is governed by processes of thin granular layer self-organization.

    Adushkin V.V., Kocharyan G.G., Ostapchuk A.A. Parameters Determining the Portion of Energy Radiated During Dynamic Unloading of a Section of Rock Massif // Doklady Earth Sciences, 2016, vol.467, №1, p.86-90.

    Аннотация: Приведены основные результаты лабораторных экспериментов, в которых исследовались закономерности перехода накопленной энергии деформирования в кинетическую в ходе прерывистого скольжения блока по модельной трещине, заполненной геоматериалами с различными свойствами. Показано, что небольшие вариации вещественного состава магистральных зон разломов могут приводить к значительному изменению доли энергии, излучаемой при динамической разгрузке прилегающего участка массива.

    Kocharyan G.G., Novikov V.A. Experimental study of different modes of block sliding along interface. Part 1. Laboratory experiments // Physical Mesomechanics, 2016, vol.19, №2, p.189-199.

    Аннотация: В лабораторных экспериментах изучены условия возникновения различных режимов скольжения для нескольких типов нарушений - контактов прочных поверхностей, трещин, заполненных кварцевым песком, тальком и глиной. Используемый набор материалов и характеристики экспериментальной установки позволили реализовать в опытах широкий спектр режимов сдвигового деформирования - от динамических срывов с максимальной скоростью в десятки мм/с, до стабильного скольжения со скоростью 1 мкм/с. Радикальное изменение поведения трещины с глиносодержащим заполнителем происходит при ее обводнении. Длительность подвижки значительно возрастает тем в большей степени, чем выше содержание глины. Движение блока имеет длительную фазу (~100 с) плавного увеличения скорости смещения и фазу торможения примерно той же длительности. При этом скорость смещения снижается до нескольких десятков мкм/с. Как до начала перемещения блока, так на всех фазах его движения вплоть до полной остановки процесс происходит без излучения акустической эмиссии в пределах чувствительности аппаратуры. Показано, что медленные движения обладают всеми фазами, характерными для прерывистого скольжения, - разгоном, длительным скольжением, торможением, остановкой и фазой состояния покоя. Проведенные лабораторные эксперименты подтверждают ранее высказанный тезис о том, что все типы деформационных процессов в земной коре формируют единый ряд явлений.

    Будков А.М., Кочарян Г.Г. Экспериментальное исследование различных режимов скольжения блоков по границе раздела. Часть 3. Численное моделирование // Физическая мезомеханика, 2016, т.19, №3, с.86-92.

    Аннотация: В статье приведены результаты исследований, направленных на изучение закономерностей скольжения блоков по границе раздела. Показано, что для моделирования всего спектра межблоковых движений эмпирический закон трения «rate and state» необходимо дополнить членом, учитывающим возникновение дополнительного сопротивления сдвигу, связанного с динамической вязкостью контакта. В этом случае наблюдаемые в эксперименте эпизоды медленного скольжения могут быть воспроизведены с хорошей точностью. Обобщение результатов всего цикла исследований, опубликованного в нескольких выпусках журнала, позволяет предположить, что динамические и квазистатические режимы скольжения по разломам являются компонентами единого деформационного процесса. При этом параметром, определяющим формирование и эволюцию режима скольжения по разлому, является соотношение между эффективными значениями жесткости разломной зоны и жесткости массива. Их вариация и определяет возможность реализации того или иного режима скольжения.

    Ostapchuk A.A., Pavlov D.V., Markov B.K., Krasheninnikov A.V. Study of Acoustic Emission Signals During Fracture Shear Deformation // Acoustical Physics, 2016, vol. 62. №4, p. 505-513.

    Аннотация: Исследованы акустические проявления различных режимов сдвигового деформирования трещины, заполненной тонким слоем гранулированного материала. Установлено, что наблюдаемый акустический портрет определяется структурой трещины на мезоуровне. Совместный анализ активности акустических импульсов и их спектральных характеристик позволяет судить о внутренних эволюционных процессах, происходящих в тонком слое межблокового контакта, и рассматривать процесс деформирования трещины как эволюцию самоорганизующейся системы.

    Besedina A., Vinogradov E., Gorbunova E., Svintsov I. Chilean Earthquakes: Aquifer Responses at the Russian Platform // PAGEOPH, 2016. vol.173, №4, p.1039-1050.

    Abstract: We studied hydrogeological responses to the passage of seismic waves from the Chilean earthquakes with Ms ≥7.6 at epicentral distances of about 126°. The variation in the levels of confined and unconfined aquifers was analyzed under platform conditions at the Mikhnevo Geophysical Observatory near Moscow, Russia. Synchronous recording of seismic and hydrogeological data enabled us to evaluate the amplitude–frequency response of aquifers. The study shows that medium response to dynamic impact depends on various physical parameters of the aquifers.

– Kocharyan G.G., Novikov V.A., Ostapchuk A.A., Pavlov D.V. A study of different fault slip modes governed by the gougew material composition in laboratory experiments // Geophysical Journal International, 2017, vol.208, №1, p.521-528, doi: 10.1093/gji/ggw409.

Abstract:  Described are results of laboratory experiments which revealed regularities of gradual transition from stick-slip mode to aseismic creep. The behavior of model gouge-filled fault was investigated with experimental setup of the spring-bock model. It was experimentally proven that small variations of a percentage of materials with velocity strengthening and velocity weakening properties in the fault principal slip zone may result in significant variation of the portion of seismic energy radiated during a fault slip event. The tests simulated different modes of inter-block sliding whose characteristic values of scaled kinetic energy varied by several orders of magnitude, while differences in contact strength and shear stress drop remained relatively small. The obtained results led to the conclusion that the earthquake radiation efficiency and the fault slip mode are governed by the ratio of two parameters – maximum fault slip-weakening rate and shear stiffness of the enclosing massif. The ratio can be essentially changed by small variations of the material composition of the fault principal slip zone.

 

  1. Участие в МЕЖДУНАРОДНЫХ КОНФЕРЕНЦИЯХ

Gorbunova E.M. (2014) Monitoring of underground water regime at the sites of large-scale experiments // VII International Conference «Monitoring of Nuclear Tests and their Consequences», Kurchatov, Kazakhstan.

Ostapchuk A.A., Kocharyan G.G., Pavlov D.V. (2015). Some conditions of different deformation mode formation // 20th Deformation Mechanisms, Rheology and Tectonics International Conference, Aachen, Germany.

Budkov A.M., Kocharyan G.G. (2015). Composite fault slip simulation using a spring-block model with a rate-and-state friction law // 26th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics, Prague, Czech Republic.

Kocharyan G., Novikov V., Ostapchuk A. (2016) Transformation of a stick-slip mode of fault behavior into a stable sliding in the laboratory tests at the spring-block model // AGU Chapman Conference on the Slow Slip Phenomena. Ixtapa, Mexico.

Ostapchuk A. (2016) Laboratory investigation of conditions of slow slip event generation // AGU Chapman Conference on the Slow Slip Phenomena. Ixtapa, Mexico.

Kocharyan G., Ostapchuk, A. and Pavlov D. (2016) Laboratory study of fault slip modes and earthquake radiation efficiency // 35th General Assembly of the European Seismological Commission, Trieste, Italy.

 

 
при поддержке