авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Количественные модели концентрации напряжений в зонах сейсмоактивных разломов земной коры

-- [ Страница 2 ] --

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, объем работы составляет 218 страниц машинописного текста, включая 54 иллюстрации и 20 таблиц. В конце диссертации приводятся приложения, библиография, включающая 279 наименований.

При выполнении работы автором использована опубликованные и фондовые материалы геологических организаций: «Карта активных разломов» (Д.Х Якубов, М.А.Ахмеджанов, О.М.,Борисов, 1976г.); «Карта сейсмогенных разломов» (Р.Н.Ибрагимов, 1976г.), «Геологическая карта Чаткальского хребта и гор Каржантау» (А.К.Ходжаев,1985г.); Сейсмотомографические профильные съемки ГСЗ (Ф.Х.Зуннунов, 1976г.); «Каталог землетрясений» Комплексной экспедиции Института сейсмологии АН РУз, «Международный каталог» Обнинска РАН, «Каталоги землетрясений» Геофизической службы США. Содержатся результаты тектонофизических съемок, проведенных лично автором совместно с сотрудниками Института сейсмологии АН РУз в 1993-2008гг. и выполненных в рамках Государственных программ фундаментальных исследований, Фонда поддержки фундаментальных исследований АН РУз и др.

Автор с глубокой благодарностью чтит память своих первых научных учителей - академика Рахматулина Халила Ахмедовича, академика Мавлянова Гани Арифхановича, профессора Саатова Ялкина Учкуновича.

Автор считает приятным долгом принести искреннюю благодарность научному консультанту доктору физико-математических наук, профессору Т.У.Артикову, определившему научную направленность диссертационной работы, за ценные консультации при выполнении диссертации, а также доктору геолого-минералогических наук, профессору Р.Н.Ибрагимову за поддержку и консультации при проведении формализации сейсмотектонических процессов.

Автор выражает благодарность всему коллективу Института Сейсмологии и Комплексной экспедиции во главе с академиком К.Н.Абдуллабековым за научную, консультативно-методическую и материальную поддержку при выполнении исследований.

Основное содержание ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость проведенных исследований по разработке количественных моделей, оценивающих напряженно-деформированное состояние сейсмоактивных разломов и расчету локальных избыточных тектонических напряжений в геоструктурных и сейсмотектонических условиях земной коры Узбекистана на современном этапе геологического развития. Предполагается, что напряженно-деформированное состояние геологической среды - это этап медленного роста энергии упругой деформации в локальных частях земной коры, которая в свою очередь находится в предварительно напряженном состоянии. При исследованиях учтены основные природные свойства геологической среды: естественное и дополнительное напряженное состояние и характеристики геологических структур верхней части земной коры, деформируемость и прочность горных массивов. Особый интерес к изучению дополнительных напряжений в земной коре вызван рядом важных обстоятельств.



Во-первых, практика исследований ряда произошедших тектонических землетрясений и данные экспериментальных определений аномальных изменений деформаций позволили надежно доказать, что общее поле напряжений земной коры, в основном, осложнено тектоническим силовым полем, под влиянием которого изменяется не только интенсивность, но и сам характер проявления современных движений.

Во-вторых, масштаб объемов очаговых зон тектонических землетрясений достигает такого размера, что уровень их воздействия на земную кору по мощности сопоставим с уровнем воздействия за счет естественных тектонических усилий.

В-третьих важным обстоятельством является то, что перед большинством коровых землетрясений появляются различные предвестники в геофизических, деформационных, гидрогеосеймологических и других полях, что означает образование зон локальной концентрации сейсмотектонических напряжений.

В предварительно напряженной однородной упругой геологической среде деформации (энергия деформации) распределены равномерно. Дополнительные усилия приводят к перераспределению полей напряжений в геологической среде. Концентрация напряжений может образоваться в такой части земной коры, где нарушена ее физическая однородность. Создание количественных моделей подобных концентраторов, несмотря на абстракцию, элементами математики определяют достаточную схожесть с реальностью, так как модельное представление выведено по физическим законам. Поэтому в диссертации излагаются решения статических задач с разрывными нарушениями для упругих сред, анализируя условия проявления деформационных предвестников разной формы, а также сравнивая количественные результаты моделирования с данными инструментальных, геофизических, сейсмологических и сейсмотектонических наблюдений на примере произошедших землетрясений.

Первая глава посвящена оценке состояния вопроса формализации подходов к построению количественных моделей, а также методов решения соответствующих краевых задач с обоснованием способов обеспечения устойчивости результатов. Выбирается подход к созданию количественной модели геофизического процесса концентрации напряжений в линейно-упругом массиве при наличии разрывных нарушений.

Методические основы к изучению напряженного состояния коры были определены М.В.Гзовским (1975). Достаточно глубокие инструментально-экспериментальные исследования по реконструкции полей напряжений приведены в работах А.С.Григорьева, О.И.Гущенко, Д.И.Осокиной, А.В.Михайловой, Ш.Д.Фатхуллаева, М.К.Турапова и др., разработан метод кинематического анализа структур разрушения. Проведена реконструкция полей тектонических напряжений, для этого предложена схема строения полей напряжений для геологических структур методами физического моделирования. Методологически близкий к этим работам являются исследовании П.Н.Николаева (1992), который предложил системный анализ полей напряжений. Он впервые выявил взаимосвязь и неразрывность тектонических движений-деформаций и напряженного состояния, что явилось практически первым шагом тектонофизического осмысления ранговой локализации полей тектонических напряжений.

Периоды деформирования горных пород в процессе подготовки и развития разрывных сейсмотектонических процессов в локальных участках сейсмоактивных разломов разделены на несколько этапов. Зоны разломов при количественном моделировании и составлении соответствующих краевых задач математической физики назовем внутренними кусочными неоднородностями земной коры. Типы концентраторов напряжений разделим на две части. Первая - это геоморфологически выраженные на открытой поверхности Земли концентраторы, вызывающие концентрацию напряжений на поверхности геологического тела типа антропогенных отложений, неровностей топографии и рельефа, каньонов и др. Вторая - это геотектонически погребенные, т.е. внутренние концентраторы. К ним можно отнести отверстия (геологические разрывы в зонах тектонических растяжений), щели (геологические разрывы с зонами контакта и без него), разрезы и включения разного вида внутри геологического тела. Согласно цели исследований, нас, в основном, интересуют внутренние концентраторы.

Все количественные модели, реализованные в данной работе, действуют в пределах малых деформаций: ():{10-11<0<10-4}.

Cформулированные Х.К.Фенгом (Feng, 2004) и обоснованные на мировом материале тезисы о возрастании тектонических напряжений по линейному закону с глубиной позволяют предположить, что геодинамические поля напряжений на более значительной глубине охватывают всю земную кору. Согласно Д.Теркоту (1985) и Ж.Хадсону (2001), эти “избыточные” горизонтальные напряжения значительно превышают геостатические. Поэтому при формализации состояния сил в слоях земной коры в зависимости от решаемых геофизических задач введены следующие дополнительные ограничения: будем считать геофизическую среду упругим и соответствующим моделируемому геологическим телом в рамках действия линейных законов механики; макроскопические геологические объемы будем считать однородными или кусочно-однородными в пределах усредненных изменений модулей упругости и сдвига; масштабный уровень будем считать ограниченным в пределах соотношения {Lmin / Dmax >min}, где Lmin - минимальная длина концентратора в моделируемом объеме; Dmax - максимальная длина (ширина или глубина) моделируемого объема и min – нижняя граница деформаций, принятая нами пределом, при котором действие моделей, построенных для исследуемого состояния геофизической среды, оправданы; физическое состояние среды при любых условиях нагружения будем считать гомогенным, каждый шаг последующего нагружения - новым квазиравновесным состоянием среды, сформированной при предыдущем нагружении.

Во второй главе построены количественные модели квазистатического деформирования с различными внутренними концентраторами. Получены и построены аналитические решения краевых задач для упругого полупространства со щелью, включением и трещиной сдвига при заданной деформации сжатия. Анализируются численные результаты концентрации напряжений вблизи одиночных концентраторов.

Подробно изложен метод, который назван Х.А.Рахматулиным (1971) методом «источников» и «стоков». Решение задачи этим методом находится в виде линейной комбинации первых N функций фундаментальной системы теории упругости. Рассмотрено геологическое тело, имеющее цилиндрический концентратор с менее плотным заполнителем. Контуры неоднородности выбраны: в первом случае свободный от внешних напряжений; во втором - с жестким контактом; в третьем – связанный с законом трения Кулона. Напряженное состояние на бесконечности представляет одноосное сжатие с деформацией 0 в направлении, составляющем угол с продольной осью концентратора. Во всех случаях на свободной поверхности Распределяя непрерывно источники внутри концентратора вдоль дополнительной кривой Г1, получим решение в перемещениях W(u,v):

;,

которые тождественно удовлетворяют уравнение равновесия. Граничные условия вдоль контура Г приняты в виде :

,

где - направляющие нормали,

а,б – длина и ширина концентратора; x,y – Декартовы координаты точки.

Интегралы заменяем соответствующими суммами, взяв достаточное количество слагаемых:

Во все задачи введем следующие безразмерные параметры:

где , - коэффициенты Ламе.

Расчеты проведены при следующих параметрах: число источников (или элементов на границе) 2N=40; ширина границы Г- 2b=200м; длина границы Г- 2a=5000м; модуль Юнга, коэффициент Пуассона и деформации сжатия введены для гранодиорита, определенного экспериментально для Ташкентского сейсмоактивного района в процессе деформирования при высоких давлениях: E=1,29x104МПа;=0,32; 0=1,16x10-5; =4,77x104МПа. Коэффициент сухого трения ks=0,3; угол наклона к горизонтали =70°; центр области D по отношению к исходной системе: . Как показали вычисления, достаточно высокая устойчивость алгоритма получена в пределах 0,068<b/a<0,11. При более низких значениях b/a устойчивость алгоритма по отношению к исходным данным снижается, а при более высоких счет останавливается из-за уменьшения правой части полученных нами из краевых условий системы уравнений. Пользуясь методом регуляризации, границу устойчивости алгоритмов для разных значений b/a удалось увеличить до 0,021<b/a<0,68. Качественное сравнение картины распределения касательных напряжений с результатами, полученными А.Р.Ярмухамедовым (1988,2003), и другими инструментальными наблюдениями, показало хорошее совпадение. Основные и дополнительные напряжения в решенных нами задачах рассматривались суммарно. Поэтому из общего необходимо вычесть решения для основных напряжений, и тогда определяется решение для дополнительных напряжений. Если длина концентратора, а большая, то смещения поверхности малы, так как сила, необходимая для соприкосновения берегов, например, щели, невелика. Если глубина расположения h=5км, длина, а=1км то в точке x=3км вертикальное перемещение будет v=-0,32мм, а напряжение xx=-58,8МПа. Исследовано поведение геоморфологически выраженных на поверхности за современное время перемещений, напряжений и энергии деформаций в области, обусловленной разломом при сценарных нагрузках, и оценено изменение вертикального смещения при различной ориентации разломов к оси сжатия. Получено, что при разных углах падения внутреннего концентратора напряжений к горизонтали угол внутреннего трения будет разным. В пределах упругих констант, свойственных для диоритов, гранодиоритов и ряда кварцевых пород: 0,2<<0,35; 0,2x104МПа<E<8,98x104МПа; 2,25x104МПа<<1,7x105МПа получены смещения и для тонких включений. Выявлено, что при прочих равных условиях картина смещений свободной поверхности, когда разрывная структура находится строго вертикально или строго горизонтально, не зависит от типа концентратора.





В третьей главе рассматривается модель напряженно-деформированного состояния земной коры при наличии в области нескольких концентраторов напряжений, анализируются параметры палеодислокаций расчетным и эмпирическим способами на примере палеоструктур Узбекистана. Решена квазистатическая задача концентрации напряжений в слоистой структурированной геологической среде с внутренними произвольно расположенными концентраторами, т.е. низкоскоростные зоны с менее плотным заполнителем (элемент наличия разрывных зон), находящиеся в поле действующих упругих (сжимающие или сдвиговые) сил (элемент воздействия тектонических сил) в полупространстве. Выбрав центр координат так, что бы одна ось была направлена по оси концентратора, а остальные - по условию выбора правой системы, задачи сведены к статическим, и решается уравнение Ламе:

(+)grad(divW)+(+2)2W=0,

где W{u,v,w}: u=u(x,y,z); v=v(x,y,z); w=w(x,y,z) - компоненты перемещений;

, - упругие постоянные Ламе. На границах раздела приняты:

(i)nn=(i+1)nn ; Wi1 = Wi2 ; (i)ns=(i+1)ns ; для сочетания групп концентраторов

(i)nn=(i+1)nn ; Wi1 = Wi2 ; (i)nn=k(i)ns, где (i)jj - jj-тые компоненты напряжений в i-том концентраторе; k-коэффициент Кулона (трение покоя).

nn= 0 ; ns =0 - на свободной поверхности и xx/x=o..

Основным напряженным состоянием выбрана область без концентраторов, тогда дополнительные напряжения появляются за счет наличия нескольких разрывов: pq=0pq+*pq+**pq ; p~q~ (1,2,3,..). Пользуясь законом Гука и формулами Коши, а также используя аффинное преобразование условий на границе, например, для первого условия, получим:

[(i+2icos2)l2i+(i+2isin2)m2i -il±i m±i sin2](i)xx - -[(i+1+2i+1cos2)l2i +

+(i+1+2i+1sin2)m2i-i+1lmimmi sin2](i+1)xx +[(i+2icos2)l2 i+(i+2isin2)m2i-

-il±im±isin2](i)yy-[(i+1+2i+1cos2)l2i+(i+1+2i+1sin2)m2i-i+1lmimmI sin2](i+1)yy+2i[ (l2i+ m2i) sin2+l±i m±i cos2](i)xy -2i+1[(l2i+ m2i) sin2+

lmi mmi cos2](i+1)xy = o [2il±i m±i sin2-(i+2icos2)l2i++(i+2isin2)m2i],

где .

Все условия и уравнения сведены к безразмерному виду, в качестве тензора фундаментальных решений использованы: для плоского деформированного состояния тензор Кельвина, полупространства - тензор Миндлина. Условия на границе в частном случае дают решение следующих задач с внутренними концентраторами:

1. При ks=0, 2=0, 2=0, 0<0 получим задачу о растяжении полуплоскости с произвольно расположенным отверстием.

2. Если ks=0, 0>0, то получим задачу о сжатии полуплоскости с произвольно расположенным включением.

3. Если 1=2, 1=2,, 0>0,то получим задачу для трещины сдвига, добавляя на границе двух трещин, ограничивающих полость шириной b.

Исходными данными являются: геометрические параметры (длина - a, глубина - h, малая ширина - b, угол наклона разломов- ,,..., количество кусков – m, узлов - n и географическое их расположение- 0,0 (можно в палетке), масштабы представления- ; уровень максимальных деформаций в год- 0; геодезические данные о современном вертикальном движении области-v0j; максимальное количество землетрясений в этой области - Nmax; количественное падение напряжений-j ; осредненные значения плотности ср; коэффициента Пуассона-ср и модуля сдвига или упругости E.

 артина распределения Sxy при малом-18

Рис.1 Картина распределения Sxy при малом сжатии-сдвиге

При углах =60°,80°, что близко к реальной структуре, а =30°,45° и при: =2,72 г/см2; Е=2,28х105МПа; =2,61х105МПа; =8,25х104МПа; 0=2,55х10-5; =0,38; ks1=0,3; ks2=0,4 рассчитаны поля напряжений вблизи двух структур. Изолиниями выделены области равных напряжений (рис.1). При разных внутренняя зона закрыта однозначной линией (для 0=10МПа она равна 0,4МПа, для 0=20МПа -0,6МПа). Подобная зона появлялась в каждом случае изменения условий залегания концентраторов, когда 50°85° и 50°85°. Подобный образ изолиний может выделить определенную область, где внш. >внут.. Его можно назвать следом, появляющимся за счет наличия разлома.

Выявлено, что модель должна основываться на двух путях приближения к схематизации. Первый условно назван формализованным сейсмотектоническим подходом, при котором деформации сейсмоактивных разломов обусловлены действием основной тектонической силы геоструктур, и описываются известным уравнением квазиравновесия. Второй так же условно можно назвать сейсмофизическим, при котором деформации структур обусловлены, в основном, избыточными напряжениями от точечных источников. Эти понятия условные, но соответствуют тому, что в первом случае, выделяя высоконапряженные активные тектонические разломы за неогенный период, можно определить возможные изменения компонент силовых полей, а во втором, пользуясь суммой действия сил, т.е. избыточных напряжений в локальных участках геоструктур, количественно определить поля вариации напряжений.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.