Способ слежения за соотношением хрупкого и вязкого типов разрушения в очагах землетрясений сейсмоактивных объемов горных пород

 

Использование: в современной геодинамике и сейсмологии. Сущность: определяют степень интегральной жесткости сейсмоактивных массивов по доминированию в них хрупкого или вязкого типов сейсмогенного трещинообразования. Типы трещинообразования диагностируют по крутизне фронта первых вступлений продольных волн, излучаемых слабыми (фоновыми) землетрясениями. Для каждого землетрясения определяют отношение количества станций, на которых определены параметры первого вступления, к количеству станций, на которых выделена продольная волна. Среднее значение параметра RG, определяемое для совокупности очагов, распределенных в массиве, характеризует степень интегральной жесткости массива для выбранного интервала времени. Применяя для анализа скользящий интервал времени, получают возможность мониторинга деформационного состояния. Технический результат: обеспечение возможности слежения за изменениями свойств сейсмоактивного массива горных пород для изучения процессов деформирования и разрушения. 3 ил.

Изобретение относится к области задач современной геодинамики и сейсмологии и может быть применено для изучения деформационного состояния массивов горных пород и прогнозирования сейсмической опасности в регионах с высокой сейсмичностью, в том числе в регионах с высокой вулканической деятельностью и в местах с наведенной сейсмичностью (подземные горные выработки, крупные гидросооружения и т.п.).

Из всего множества методов, практикуемых на специализированных прогностических полигонах в тектонически и сейсмически активных областях, наиболее близок к предлагаемому способу один: определение доли вязкого скольжения при образовании сейсмогенерирующей трещины по различию в магнитудах землетрясения, определяемых по объемным (продольным и поперечным) волнам и поверхностным волнам [1]. Недостаток метода заключается в том, что для анализа используют волны, формирующиеся вне очага. Так, поверхностные волны образуются вблизи поверхности Земли и их интенсивность очень сильно зависит от глубины очага.

Цель изобретения - обеспечить возможность слежения за изменениями свойств сейсмоактивного массива горных пород для изучения процессов деформирования и разрушения, а на их фоне - процессов формирования очагов сильных землетрясений, извержений вулканов, горных ударов.

Физическая суть способа заключается в следующих положениях, известных из теоретических и лабораторных исследований в области физики разрушения горных пород и сейсмологических наблюдений и подробно описанных в работе [2] авторов настоящей заявки: 1. В силу разнородности минерального состава и трещиноватости в массивах горных пород при любом напряженном состоянии может происходить с разной степенью вероятности как хрупкое, так и вязкое локальное разрушение. В образовании реальных трещин хрупкий и вязкий механизм разрушения принимают участие в разных сочетаниях [3, 4].

2. Хрупкое трещинообразование является прерогативой жестких тел, поэтому оно превалирует над вязким разрушением на стадии упругого деформирования и исчезает на стадии пластического течения.

3. Скорость смещения берегов трещины максимальна при хрупком разрушении и уменьшается по мере увеличения вклада в трещинообразование вязкого разрушения.

4. Скорость смещения берегов трещины определяет крутизну фронта излучаемой продольной волны Р.

5. По крутизне фронта первого вступления землетрясения, вне зависимости от магнитуды, подразделяются сейсмологами на "тихие" (слабая выраженность первого вступления Р-волны), в очагах которых превалирует механизм вязкого разрушения, и землетрясения "взрывного" типа (превалирует механизм хрупкого разрушения), первое вступление Р-волн которых уверенно определяют большим количеством сейсмостанций.

Таким образом, чем ближе тип разрушения в очаге землетрясения к хрупкому, тем больше вероятность для каждой сейсмостанции зарегистрировать знак первого вступления. Эта вероятность в общем виде представляется следующим выражением: RG=N₁/N₂, где N₁ - количество станций, зарегистрировавших знак первого вступления; N₂ - количество станций, зарегистрировавших продольную волну.

Все указанные параметры содержатся в стандартных сейсмических бюллетенях. Так как каждое землетрясение характеризует степень жесткости объема горных пород, в котором образовался очаг, размер которого пропорционален излучаемой энергии [6] , то совокупность очагов землетрясений, сконцентрированных в сейсмоактивном массиве, позволяет по параметрам RG оценить интегральную степень жесткости массива в фиксированном интервале времени. Как показали работы А.И.Савича [5], механические параметры горных пород в образцах (лабораторные испытания) и параметры массивов в естественном залегании отличаются в 2-3 раза, причем это различие зависит от размеров массива.

Под сейсмоактивным объемом горных пород понимают массив пород земной коры и верхней мантии, в котором фиксируются землетрясения в широком диапазоне энергий (магнитуд). В сейсмологии принято такое понятие, как период повторяемости землетрясений [6] . Известно, что чем меньше магнитуда, тем чаще происходят землетрясения. Для выяснения характера излучаемых из очага сейсмических волн целесообразно привлекать землетрясения, которые фиксируются как минимум десятью станциями. Это условие определяет нижний предел магнитуд, который в каждом сейсмоактивном регионе сугубо индивидуален, т.к. зависит от плотности и чувствительности сети сейсмостанций.

Как показывают наблюдения, очаги землетрясений в любом районе разнесены как в пространстве, так и во времени. Поэтому интегральную оценку хрупкости массива можно получить путем осреднения значений RG землетрясений, произошедших в данном объеме за определенный интервал времени.

Для изучения пространственно-временных вариаций минимальные размеры пространственного окна осреднения выбирают в зависимости от требуемой детальности анализа. Его размеры и периоды повторяемости землетрясений определяют продолжительность интервала времени, в течение которого в данном объеме будут зафиксированы очаги как минимум пяти землетрясений. Этот интервал и будет являться окном осреднения по времени. Среднее значение параметров RG землетрясений в пространственно-временном окне является показателем интегральной жесткости для заданного объема в указанный интервал времени.

Порядок действий при выборе пространственно-временных параметров заключается в следующем: 1. Для всех землетрясений выбранного района строят зависимость логарифма количества станций, зарегистрировавших землетрясение, от магнитуды землетрясения. Линейную часть совокупности точек аппроксимируют линейно-логарифмической зависимостью ln(N₂)=AM+B, где N₂ - количество сейсмических станций, М - магнитуда, А и В - коэффициенты зависимости.

В области больших магнитуд количество станций стремится к общему количеству станций в сейсмической сети. Начало отклонения графика от линейной зависимости дает значение магнитуды М_max, выше которой не должны привлекаться для анализа. Нижнюю границу используемых магнитуд определяют из полученной зависимости для 10 станций: М_min=[ln(10)-B]/A(2,3-B)/A.

2. Строят график повторяемости землетрясений по сейсмическим бюллетеням выбранной сейсмической сети для изучаемого района. По рабочему диапазону магнитуд (М_min, M_mах) вычисляют количество землетрясений, пригодных для анализа и вычисляют плотность таких землетрясений на единицу площади за единицу времени (для локальных сейсмических сетей 0,1^o0,1^o, 1 день).

3. Магнитуда землетрясений, которые вызывают аномалии хрупкости M_lrg, больше М_mах на 2, т.е. M_lrgM_mах+2. Используя эмпирическую зависимость длительности аномалии хрупкости от магнитуды: log(t)= 0,83М-2,85, определяют минимальную длительность аномалии (в днях), которую необходимо регистрировать при изучении изменений жесткости: t_min = 10^{(0,83Mmax-1,19)}. Окно по времени для надежной регистрации аномалии, составляет 10% от t_min.

4. Размер области подготовки землетрясений с M_lrg определен в работе [3] . Пространственное окно для выделения аномалии составляет 10% от размера области подготовки. Если произведение плотности землетрясений из п.2 на окно по времени и на площадь пространственного окна больше или равно 5 землетрясениям, то исходные данные пригодны для слежения за изменениями во времени жесткости данного сейсмоактивного объема.

Порядок действий при анализе сейсмологических данных заключается в следующем:
1. На сейсмограммах землетрясений определяют параметры первого вступления продольной волны и подсчитывают количество станций (N₁), на которых удалось это сделать. Порядок работы с сейсмограммами подробно изложен в работе [6].

2. Определяют общее количество станций (N₁), на сейсмограммах которых продольная волна данного землетрясения опознана.

3. Вычисляют показатель жесткости излучения сейсмических волн (рейтинг землетрясения) RG= N₁/N₂, как показатель жесткости горных пород в очаге землетрясения.

4. Определяют среднее значение параметра RG совокупности очагов землетрясений, сконцентрированных в заданном пространственно-временном окне сейсмоактивного массива, которое характеризует показатель интегральной жесткости горных пород в данном объеме в течение конкретного интервала времени.

5. Сдвигая временное окно на шаг, составляющий от 10% до 50% от временного окна, получают возможность слежения за изменениями во времени процесса растрескивания выбранного для анализа объема сейсмоактивного массива.

6. Перемещая пространственное окно по площади региона, получают пространственную характеристику массива на конкретный момент времени.

В настоящее время сейсмические сети с высокой плотностью станций развиты и продолжают совершенствоваться в активных районах Японии, Китая, США, Новой Зеландии, России. Предлагаемые способы опробованы на данных о слабой (фоновой) сейсмичности Пекинского района Китая, штата Калифорния (США), Японии и Южных Курил (Россия).

На фиг. 1 показаны схемы районирования территории С. Калифорнии на три момента времени [2] . Для всех трех схем были использованы параметры землетрясений с магнитудой до 3,5 за три месяца. Нижнее ограничение по магнитуде определяют задаваемым минимальным количеством станций M_min, зарегистрировавших землетрясение. Нижний предел магнитуд изменяется для условий С. Калифорнии от 0,5 до 2,0 при M_min10. Среднее значение параметра RG определяют весовым сглаживанием по прямоугольной сетке с перекрытием. Минимальное количество землетрясений в окне осреднения задается априори. Показанные на фиг. 1 схемы построены без учета глубин очагов, так как в С. Калифорнии сейсмоактивной толщей являются верхи земной коры мощностью 15-20 км. Получаемая информация необходима для изучения геодинамических процессов, происходящих в сейсмоактивных регионах.

Вариант мониторинга показан на фиг.2. Здесь под контролем находятся объемы земной коры с размерами 100100 км на поверхности и 20 км по глубине. Среднее значение параметра RG определяют для километровых срезов по глубине с шагом 0,1 км и при тех же ограничениях по магнитудам, принятых для схем районирования. Временное окно было выбрано в 0,5 года со смещением в 0,1 года.

Выбранные участки соответствуют зонам повышенной сейсмической опасности разлома Сан-Андреас. Здесь произошли все сильные (М5,5) землетрясения в период 1967-1993 годы. Поэтому фиг. 2 является иллюстрацией и для способа прогнозирования. Для прогнозирования землетрясения основополагающим является обнаруженное впервые явление понижения рейтинга слабых землетрясений и следующего за ним повышения перед сильным землетрясением [2]. Возможность прогнозирования обеспечивается наличием отрицательного экстремума, от момента появления которого начинают отсчет времени до ожидаемого сейсмического события. На диаграммах 2а и 2б видно, что все землетрясения с М5,2 произошли после понижения жесткости сейсмоактивной толщи земной коры на фоне ужесточения. Длительности развития аномалий жесткости пропорциональны энергиям землетрясений. Благодаря этому, прогноз энергии ожидаемого события осуществляют, используя зависимости типа
lg(T)=kM-C,
где Т - время развития предвестника, отсчет которого начинают с момента прохождения минимума значений рейтинга;
М - магнитуда землетрясения;
k, С - постоянные коэффициенты, экспериментально определяемые для конкретного региона.

Так, для условий С. Калифорнии lgТ=0,83М-2.85. Пример предвестниковых аномалий показан на реальных данных (фиг.3). На фиг.3а приведен график изменения во времени осредненного в скользящем временном окне параметра RG перед землетрясениями 1980/01/24 с М=5,6, 5,2, 5,1 в С. Калифорнии. На фиг.3б показано изменение во времени отношения числа слабых землетрясений, параметр RG которых ниже среднего фонового значения, к общему числу землетрясений в эпоху подготовки землетрясений с М=5,6, 5,2 в Пекинском районе (Китай). На фиг. 3с показано изменение рейтинга землетрясений с 4,5М5,0 территории к югу от Ю. Курильских островов в эпоху подготовки сильного землетрясения с M= 7,3.

Прогноз места осуществляют по степени выраженности предвестниковой аномалии в объеме сейсмоактивной толщи. Так, сравнивая фиг.2а и 2б, можно видеть, что выраженность предвестниковых аномалий выше в зоне, ответственной за подготовку землетрясений.

На современном этапе развития сейсмологии способ слежения за соотношением хрупкого и вязкого типов разрушения может быть рекомендован для научных разработок технологии оценки сейсмической опасности как один из методов комлекса.

Литература
1. Прозоров А.Г., Хадсон Д.А. Изменение крипекса перед сильными землетрясениями. Вычислительная сейсмология 15, М.: Наука, 1983, с. 26-35.

2. Lykov V.I., Mostrioukov A.O. Background Seismity As an Indicator of a Crustal Deformational Process: J. of Earthquake Prediction Research, 1996, vol. 5, N 4, Beijing - Moscow, pp. 535 545.

3. Костров Б.В. Теория очагов тектонических землетрясений. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1970, 4, с. 84-101.

4. Мячкин В. И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений. В кн.: Физика очага землетрясения. М.: Наука, 1975, с. 6-26.

5. Савич А.И. Исследование физико-механических свойств горных пород на разных масштабных уровнях. В сб.: Прогноз землетрясений, Дониш, Душанбе-Москва, 1983, 4, с. 273-288.

6. Рихтер Ч.М. Элементарная сейсмология. М.: И.Л., 1963. 562 с.

Формула изобретения

Способ слежения за соотношением хрупкого и вязкого типов разрушения в очагах землетрясений сейсмоактивных объемов горных пород, отличающийся тем, что тип разрушения опознается по крутизне фронта первых вступлений продольных волн, излучаемых слабыми землетрясениями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4