Лабораторное моделирование смещений блоков горных пород: малоамплитудные быстрые движения в экспериментах на слайдер-модели разлома
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu07.2024.201Аннотация
Экспериментальное моделирование физических процессов, связанных с разломами земной коры, важно для изучения землетрясений, горных ударов и процессов, сопровождающих разработку месторождений. Широкое распространение получили лабораторные эксперименты с исследованием прерывистого скольжения блоков горных пород друг относительно друга на слайдер-модели разлома. Оно проявляется в виде эпизодов быстрого смещения при увеличении нагрузки до критической величины. В работе исследовалась реакция модели на увеличение нагрузки до субкритической величины в условиях разного увлажнения разлома. После пяти суток увлажнения и трех серий нагружений, по сигналам трехкомпонентного высокочастотного акселерометра были обнаружены малые и быстрые смещения (микросрывы), которые по величине на два порядка меньше, чем смещения при эпизодах традиционно наблюдаемого прерывистого скольжения. Со временем с момента остановки нагружения интервалы между событиями увеличиваются быстрее, чем по степенному закону, а величина смещения, амплитуда ускорений и импульсов акустической эмиссии плавно уменьшаются с выходом на плато. Предложены возможные качественные механизмы возникновения микросрывов, учитывающие постепенное обводнение и высыхание зоны разлома после инжекции воды. Основной гипотезой является конкурирование процессов упрочнения и разупрочнения в зоне разлома при удалении воды из разлома вследствие высыхания и действия капиллярных сил. Неравномерное распространение этих процессов по разлому может создавать предпосылки либо для небольшого линейного смещения на ограниченном участке разлома, либо для небольшого смещения с поворотом. Эти смещения проявляются как микросрывы. Общее медленное проскальзывание вдоль разлома и уменьшение сдвигового напряжения приводит к уменьшению частоты микросрывов и их характерных параметров.
Ключевые слова:
лабораторное моделирование, землетрясения, разлом, инжекция флюида, ускорения, стик-слип
Скачивания
Библиографические ссылки
Бернштейн, В. А. (1987). Механогидролитические процессы и прочность твердых тел. Л.: Наука.
Кузьмин, Ю. О. (1996). Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов. Геологическое изучение и использование недр, 4, 43–53.
Кузьмин, Ю. О. (2018). Современные аномальные деформации земной поверхности в зонах разломов: сдвиг или раздвиг? Геодинамика и тектонофизика, 9 (3), 967–987. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-3-0379
Кочарян, Г. Г. (2016). Геомеханика разломов. М.: ГЕОС.
Соболев, Г. А. и Пономарев, А. В. (2003). Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука.
Barenblatt, G. (1959). Concerning equilibrium cracks forming during brittle fracture. The stability of isolated cracks. Relationships with energetic theories. Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 23, 1273–1282. https://doi.org/10.1016/0021-8928(59)90130-3
Bolton, D. C., Shreedharan, S., McLaskey, G. C., Rivière, J., Shokouhi, P., Trugman, D. T., Marone, C. (2022). The high-frequency signature of slow and fast laboratory earthquakes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024170. https://doi.org/10.1029/2022JB024170
Dieterich, J. H. (1972). Time‐dependent friction in rocks. Journal of Geophysical Research, 77, 3690–3697.
Gridin, G. A., Kocharyan, G. G., Morozova, K. G., Novikova, E. V., Ostapchuk, A. A., Pavlov, D. V. (2023). Evolution of Sliding Along a Heterogeneous Fault. A Large-Scale Laboratory Experiment. Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 59 (3), 460–467.
Hill, D. P. and Prejean, S. G. (2009). Dynamic Triggering. In: Kanamori H., ed., Geophysical treatise, earthquake seismology. Amsterdam: Elsevier, 257–291.
Kanamori, H. and Stewart, G. S. (1978). Seismological aspects of the Guatemala Earthquake of February 4, 1976. Journal of Geophysical Research, 83, 3427–3434.
Kocharyan, G. G. and Ostapchuk, A. A. (2011). Variations in rupture zone stiffness during a seismic cycle. Doklady Earth Sciences, 441 (1), 1591–1594. https://doi.org/10.1134/S1028334X11110250
Kuzmin, Yu. O. (2004). Recent geodynamics of fault zones. Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 40 (10), 868–882.
Leeman, J. R., Saffer, D. M., Scuderi, M. M., Marone, C. (2016). Laboratory observations of slow earthquakes and the spectrum of tectonic fault slip modes. Nature Communications, 7 (1), 1–6. https://doi.org/10.1038/ncomms11104
Ohnaka, M. (2013). The physics of rock failure and earthquakes. Cambridge: Cambridge University Press.
Sadovskiy, M. A., Kocharyan, G. G., Rodionov, V. N. (1988). Mechanics of a rock body with block structure. Transactions (Doklady) of the USSR Academy of Sciences. Earth Science Sections, 302 (5), 20–22.
Scholz, C. (2019). The Mechanics of Earthquakes and Faulting. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781316681473
Sobolev, G. A., Ponomarev A. V., Maibuk Y. Y. (2016). Initiation of unstable slips–microearthquakes by elastic impulses. Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 52 (5), 674–691. https://doi.org/10.1134/S106935131605013X
Veselovskiy, R. V., Dubinya, N. V., Ponomarev, A. V., Fokin, I. V., Patonin, A. V., Pasenko, A. M., Fetisova, A. M., Matveev, M. A., Afinogenova, N. A., Rud’ko, D. V., Chistyakova, A. V. (2022). Shared research facilities “Petrophysics, geomechanics and paleomagnetism” of the Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS. Geodynamics & Tectonophysics, 13 (2), 0579. https://doi.org/10.5800/GT-2022-13-2-0579
Zeigarnik, V. A., Novikov, V. A., Bogomolov, L. M. (2022). Electromagnetic Earthquake Triggering: Field Observations, Laboratory Experiments, and Physical Mechanisms — A Review. Physics of the Solid Earth, 58 (1), 30–58. https://doi.org/10.1134/S1069351322010104
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
