1. Научная деятельность
  2. Гранты РНФ
  3. Гранты РНФ
  4. Геомеханика разломов земной коры - от региональных масштабов до микротрещин

Геомеханика разломов земной коры - от региональных масштабов до микротрещин

Конкурс РНФ 2022 года:

«Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Проект № 22-17-00204

«Геомеханика разломов земной коры - от региональных масштабов до микротрещин»

Сроки выполнения проекта

2022-2024

Отрасль знаний

Науки о Земле

Руководитель проекта

д.ф.-м.н. Кочарян Геворг Грантович

Название организации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук

Объем финансирования

21 млн. рублей

Аннотация

   Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы – развитие механики деформационных процессов в разломных зонах с целью построения расчетной модели, основанной на физических принципах и успешно выполняющей прогностические функции.

   Несмотря на то, что в строении и структуре, механических и минералогических свойствах, P-T условиях нарушений сплошности земной коры различных масштабов существуют колоссальные различия, закономерности деформирования всех этих структур определяются законами фрикционного взаимодействия. Таким образом, научная значимость проблемы адекватного описания фрикционного взаимодействия в геосистемах разных иерарахических уровней, интегрирующая рассмотрение множества физических и химических процессов, не вызывает сомнений. Несмотря на большое количество публикаций, посвященных различным аспектам проблемы , процесс эволюции динамических деформаций в зонах тектонических разломов, остается плохо понятым. Зачастую при внешней схожести напряженного состояния и структуры разломной зоны, реализуются совершенно разные деформационные моды – от асейсмического крипа до землетрясений. Понимание механики этих процессов может помочь разобраться в некоторых определяющих деталях зарождения как природных землетрясений, так и сейсмических событий, инициированных техногенной деятельностью.

   Решаемые задачи охватывают разные масштабы: от изучения взаимодействия локальных контактов частиц-заполнителей разломов до эффектов локализации деформаций в зонах крупных разломов; от лабораторных исследований динамического разрушения межблоковых контактов до численного моделирования различных процессов скольжения в земной коре.

   Основой проекта является созданная в 2020 г. в ИДГ РАН лабораторная установки для исследования процессов скольжения по существующему разлому длиной до 1 м в диапазоне нормальных давлений до 20 МПа. В России подобные установки отсутствуют, а в мире существует лишь несколько аналогов. Размеры установки позволят возбуждать в блоках горной породы колебания и использовать их как для диагностики состояния контактной зоны, так и в качестве триггера.

   Наряду с использованием уникальной установки, существенным отличием предлагаемого проекта от работ, проводимых другими группами исследователей, является комплексный подход. На основе лабораторных экспериментов, численного моделирования и натурных наблюдений запланированы исследования эволюции процесса скольжения по разлому с различными физико-механическими и фрикционными свойствами заполнителя (в том числе с материалами, обладающими свойствами упрочнения и разупрочнения при динамическом сдвиге), исследования влияния внешних воздействий на развитие режима скольжения, исследования эволюции жесткости разлома в процессе подготовки динамического срыва. Кроме того, в отличие от существующих установок, дополнительно планируется исследовать зарождение и распространение разрыва в модели, составленной из нескольких блоков.

   В рамках данного проекта планируется проведение полевых работ на Северо-Западном разломе Коробковского месторождения КМА, где кроме структурных исследований будут проводиться исследования реакции разломной зоны на воздействие массовых взрывов.

   В рамках проекта будет проводиться численное моделирование отдельных стадий процесса скольжения с целью определения связи между различными физическими механизмами и оценки их относительной важности. Для численного моделирования будут использованы разработанные участниками коллектива программные коды на основе лагранжева метода «Тензор» (моделирование процесса зарождения, распространения и остановки разных режимов распространения разрыва), а также программный пакет QDYN, который планируется дополнить собственным модулем, позволяющим задавать пространственно неоднородное распределение фрикционных свойств вдоль разлома.

   Численно будут моделироваться задачи, аналогичные конкретным постановкам лабораторных экспериментов, что позволит интерпретировать результаты опытов и распространить их на более сложные природные объекты. Для проверки применимости подходов, разрабатываемых в проекте, к некоторым аспектам деформационных процессов в разломных зонах, будут использованы доступные данные GPS наблюдений и параметров разрывов при землетрясениях. Интеграция данных полевых исследований разломов, результатов компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов на установке мирового класса обеспечит новый уровень понимания крупномасштабных геомеханических процессов. В качестве элементов новизны, по сравнению с собственными предыдущими исследованиями, можно отметить использование новой экспериментальной установки, новых постановок численных экспериментов, а также намерение интерпретировать результаты наблюдений за инициированной сейсмичностью на КМА на основе методов обработки данных, развиваемых в ходе выполнения проекта РНФ № 20-77-10087 (руководитель А.А.Остапчук).

при поддержке RNF.png

   Задачами проекта являются:

  • анализ пространственных и временных закономерностей локализации деформаций разного иерархического уровня в земной коре;

  • исследование геомеханических условий и макроскопических проявлений эволюции процесса скольжения по трещинам/разломам на разном масштабном уровне;

  • разработка на основе результатов выполненных исследований комплексной модели возникновения и развития динамической неустойчивости на участках локализации деформаций в земной коре.

   Относительно небольшая ширина слоев локализованного динамического сдвига даже на крупнейших разломах и их очевидная важность для общей устойчивости к сдвигу делают разломные зоны очень подходящими кандидатами для исследований в лаборатории. Невозможность учета ряда факторов, при этом, должна быть компенсирована анализом результатов натурных наблюдений и проведением численных расчетов.

    Масштаб решаемой задачи охватывает множество геологических объектов: от изучения взаимодействия локальных контактов частиц-заполнителей разломов до анализа эффектов локализации деформаций в зонах крупных разломов.

   Комплексность решаемой задачи определяется необходимостью учета целого ряда эффектов, играющих важную роль при рассмотрении процессов локализации деформаций и скольжения:

  • влияния фрикционных и структурных свойств материала-заполнителя, включая дилатансию и компакцию материала; связанные с этим эффекты порового давления, нарушение и залечивание контактов и т.д.;

  • влияние вариаций напряженного состояния;

  • влияние внешних воздействий: вибраций, инжекции флюида;

  • исследование закономерностей изменения макроскопических характеристик разлома (нормальной и сдвиговой жесткости) в процессе подготовки динамического срыва и событий медленного скольжения;

  • проверка адекватности различных моделей трения на крупномасштабных объектах с использованием существующих геологических, геофизических данных и результатов компьютерного моделирования.

   Важность, масштаб и общественная значимость решаемой задачи определяется тем, что исследование и количественная оценка различных факторов, определяющих фрикционное взаимодействие на участках локализации деформаций, позволят продвинуться в направлении нового понимания фундаментальных факторов, управляющих поведением сложных взаимодействующих геосистем. Выяснение закономерностей и механизмов влияния структуры и свойств разломов на их устойчивость и режимы скольжения создаст физическую основу для развития новых подходов к оценке опасности внезапных проявлений наведенной сейсмичности.

   Второе возможное направление использования результатов проекта связано с инициацией активности разломов при изменении флюидного режима вследствие закачки флюида в коллекторы для повышения добычи нефти и газа из пластов с трудно извлекаемыми запасами углеводородов.

    Третье вероятное направление использования ожидаемых результатов – повышение безопасности ведения работ в горнодобывающей промышленности. Ожидаемые результаты могут иметь важное практическое значение при оптимизации технологий безопасного ведения горных работ не только в подземных выработках, но и в окрестности крупных карьеров. Для крупных горнодобывающих предприятий, которые во многих случаях являются градообразующими, результаты исследования могут дать новый импульс в оценке наведенной сейсмичности, позволяющей выявить безопасные места для размещения жилых и производственных объектов.

    Разработанные в рамках выполнения проекта модели деформирования разломных зон и алгоритмы их численной реализации могут быть использованы для расширения функциональных и прогностических возможностей цифровых двойников месторождений твердых и жидких полезных ископаемых (например, информационная система «Цифровое месторождение»), активно развиваемых и внедряемых на местах крупными добывающими предприятиями и корпорациями.

при поддержке RNF.png

    Основными методами исследований будут лабораторные и численные эксперименты, в которых планируется изучить фундаментальные закономерности развития процесса скольжения по трещинам и разломам.

  Радикальным отличием от ранее проводимых в России работ в части лабораторных исследований будет новая экспериментальная установка для исследований закономерностей скольжения по разлому. Уникальным для нашей страны является её размер (длина сдвигаемого блока скальной породы до 1 м) и оснащенность современной измерительной аппаратурой. Установка апробирована в 2020-21 гг., получены первые результаты (проект РНФ № 20-77-10087, руководитель А.А.Остапчук), выявлен ряд проблем, которые в настоящее время устраняются.

  Планируется обеспечить уровень нормальных напряжений до 20 МПа и, возможно, локальный нагрев отдельных участков контактной области. Размеры установки позволяют возбуждать в блоках горной породы колебания и использовать их как для диагностики состояния контактной зоны, так и в качестве триггера. Где возможно, будут контролироваться текущие значения квазистатической и динамической жесткости контакта.

   Перечислим аспекты процесса скольжения по тектоническому разлому, на изучение которых в рамках данного проекта будут направлены планируемые лабораторные эксперименты:

  • Зарождение, развитие и остановка разрыва на поверхности гетерогенного разлома.
  • Закономерности деформационных процессов, предшествующих основному динамическому срыву.
  • Акустические проявления процесса подготовки скольжения.
  • Структурные и фрикционные свойства материала-заполнителя разлома, их изменение со временем (залечивание) и влияние на закономерности скольжения.
  • Влияние инжекции флюида на процесс зарождения и остановки разрыва.
  • Влияние вибраций на инициирование динамических событий.
  • Влияние неоднородности фрикционных свойств поверхности скольжения.
  • Влияние неоднородности поля напряжений.

    Установка оснащена современным измерительным оборудованием (акселерометры, лазерные датчики перемещения, индукционные датчики перемещения, вихретоковые датчики перемещения, аппаратура для регистрации акустической эмиссии, тензометрическая аппаратура). В проекте будут использоваться современные методы обработки экспериментальных данных, отлаженные в заканчивающемся проекте РНФ № 20-77-10087), что позволит надежно и с высокой точностью лоцировать очаги отдельных деформационных событий, и, возможно, определять механизмы очагов.

при поддержке RNF.png

  • Кочарян Геворг Грантович
  • Остапчук Алексей Андреевич
  • Морозова Ксения Георгиевна
  • Беседина Алина Николаевна
  • Будков Александр Михайлович
  • Гридин Григорий Александрович
  • Кишкина Светлана Борисовна
  • Павлов Дмитрий Вячеславович
  • Шарафиев Зульфат Забирович
  • Полятыкин Владимир Владимирович
  •    2022 г.

       На основе лабораторных экспериментов, численного моделирования и натурных наблюдений проводятся исследования эволюции процесса скольжения по разлому с различными физико-механическими и фрикционными свойствами заполнителя (в том числе с материалами, обладающими свойствами упрочнения и разупрочнения при динамическом сдвиге), исследования влияния внешних воздействий на развитие режима скольжения, исследования эволюции жесткости разлома в процессе подготовки динамического срыва.  

       В результате тестовых экспериментов на блоках из различных материалов и численных расчетов в 2022 году была разработана единая концепция проведения лабораторных и численных экспериментов. Суть концепции заключается в такой постановке опытов и расчетов, которая позволяет контролируемым образом задавать режим скольжения заданной области контакта, а также прослеживать взаимодействие разных режимов скольжения и структурных областей. 

       Реализована упрощенная модель эволюции деформационного процесса на лабораторном разломе с гетерогенной поверхностью, содержащей участки повышенной прочности – «асперити» (asperities). В результате лабораторных экспериментов было продемонстрировано, что крупные участки «асперити», расположенных друг от друга на расстоянии, превышающем их характерный размер, весьма слабо влияют друг на друга; в том случае, если их целостность предварительно не нарушена. При реализации крупной подвижки, которая начинается в зоне максимального дефицита межблокового смещения, происходит разрыв тех областей разлома, эффективная прочность которых снижена предыдущими деформационными событиями. Такие более ранние события могут быть «медленными» подвижками, имеющими низкую сейсмическую эффективность. Анализ современного состояния вопроса, выполненный в двух фундаментальных обзорах и проведенные эксперименты позволили очертить круг задач возможного моделирования деформационных процессов, происходящих в зонах сейсмогенных разломов, которые могут быть решены на подобных лабораторных установках. 

       На установке слайдер-модель и на стандартном приборе прямого среза исследованы фрикционные характеристики материалов, в том числе образцов, извлеченных из различных участков Приморского разлома и других локаций в Байкальской рифтовой зоны. Проведены опыты с кварцем, метаморфизованным мрамором, графитом, амфиболитовым сланцем, амфиболитовым гранитом, метаморфизованным габбро, диоритом. Исследования проводились в различных диапазонах размера зерен от 50 до 250 мкм. Опыты проводились при комнатной температуре и влажности образцов. Были получены соответствующие значения базового коэффициента трения и сцепления для каждого образца и отмечен выраженный рост величины коэффициента трения при снижении среднего размера зерна. 

       Регистрация упругих колебаний системой синхронизированных акустических и деформационных датчиков и акселерометров позволила решить задачу локации гипоцентров событий скольжения в ходе моделирования разрыва (движения разлома). Для выделения отдельных импульсов была выполнена реализация информационного критерия Акаики, а для определения координат их источников использовался метод разности времени прихода сигналов на датчики с горизонтально-слоистой скоростной моделью. В результате, для всех событий определялась скорость распространения разрыва, максимальная скорость относительного скольжения блоков, амплитуда смещения в очаге, сейсмический момент и излучательная эффективность. 

       Эксперименты, проведенные в 2022 г., продемонстрировали, что мода скольжения по лабораторному разлому определяется такими факторами, как геометрия берегов разлома, пространственное распределение фрикционных свойств бортов и заполнителя, скорость приложения нагрузки. В областях скольжения тектонических разломов выделяются нерегулярные, неизменяемые в течение длительного времени сейсмогенерирующие структурные формы, расположение которых, наряду с геометрическими факторами, определяется гетерогенностью фрикционных характеристик центральной части разлома. 

       Создана вычислительная программа, позволяющая с требуемой степенью детализации воспроизводить условия нагружения блоков в лабораторной установке (неравномерность нормальной нагрузки на блоки, связанную с использованием нескольких домкратов, различное количество и расположение пятен “asperities” и т.д) и исследовать параметры движения и напряженного состояния блоков в ходе опыта. Проведена серия численных расчетов; получены поля напряжений и деформаций при имитации различных режимов воздействия сдвигающего домкрата в лабораторной установке. Интересно, что разрушение цементного пятна происходит не тривиальным образом: разрыв начинается с края и распространяется медленно, достигая лишь ~15% размера пятна; затем, со значительным запаздыванием происходит быстрое разрушение всего asperity и динамическая подвижка. Такой результат корреспондируется с эффектами, наблюдаемыми в лабораторном эксперименте. С целью создания методики расчета изменения проницаемости массива горных пород в окрестности сейсмогенного разлома (расчет проницаемости зоны повышенной трещиноватости) была отработана методика 2D численного моделирования процесса дробления слабопроницаемого массива горных пород. Результаты расчета сопоставлены с уникальными данными прямых измерений проницаемости массива в ближней зоне подземного ядерного взрыва «Днепр-1», проведенного в 1972 г. в Хибинах. Судя по результатам сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными, поствзрывную проницаемость массива скальных пород можно оценить с приемлемой точностью, используя результаты расчета интенсивности деформации сдвига. Предложенный метод позволяет выполнить приближенные оценки изменения проницаемости массива при воздействии зарядов сложной конфигурации с учетом напряженного состояния массива, а также позволяет провести расчеты изменения свойств массива в окрестности разрыва землетрясения.

       2023 г.

       В 2023 году, на основе лабораторных экспериментов, численного моделирования и натурных наблюдений были проведены исследования эволюции процесса скольжения по разлому с различными физико-механическими и фрикционными свойствами заполнителя (в том числе с материалами, обладающими свойствами упрочнения и разупрочнения при динамическом сдвиге), а также исследования влияния внешних воздействий на развитие режима скольжения и исследования эволюции жесткости разлома в процессе подготовки динамического срыва. Помимо экспериментов с одной контактной границей, проводились исследования зарождения и распространения разрыва в модели, составленной из нескольких блоков. В ходе экспериментов исследовались закономерности развития различных событий скольжения: от крипа до динамических срывов. На бортах лабораторного разлома были сформированы 1, 2 или 3 контактные области, моделирующие участки асперити («asperity» в известной модели Канамори. Эти контактные области изготавливались по специальной методике, описанной в статье [Гридин и др., Развитие процесса скольжения по гетерогенному разлому.

     Разными методами («Тензор» и «QDYN») выполнялось численное моделирование проводимых лабораторных экспериментов с целью корректной интерпретации результатов измерений. На симуляторе QDYN исследовались закономерности деформирования разломов с фрактальной структурой зоны межблокового контакта.
       Результаты численного моделирования развития динамического разрыва, инициированного на участке гетерогенного тектонического разлома, а также процесса накопления и излучения упругой энергии в окрестности разупрочняющегося пятна, свидетельствуют в пользу предположения, что характерные размеры фрикционных неоднородностей на плоскости скольжения в значительной степени определяют особенности распространения динамического разрыва. В том числе такие плохо изученные этапы, как его старт и остановка. 

       Инициирование разрыва локальной области может быть вызвано различными, подчас случайными, причинами – изменением порового давления, воздействием сейсмических колебаний от удаленных событий, межгеосферными взаимодействиями и т.д. В то же время, представляется маловероятным изменение, например, порового давления на достаточно большой площади, сопоставимой с площадью будущего разрыва. Такого рода возражения, например, имели место при обсуждении известной дилатантно-диффузионной модели подготовки землетрясения. Численные расчеты продемонстрировали, что для гетерогенного разлома, содержащего стабильные участки и участки разупрочнения, при достаточном количестве разупрочняющихся областей оказывается необходимым (и достаточным?) обеспечить условия инициирования лишь на локальном участке, а дальше динамический сдвиг может поддерживаться волной напряжений, излучаемой с поверхности разрыва. 

        Важным является то обстоятельство, что после инициирования разрыва на одном из асперити (судя по результатам наших расчетов, а также данных других публикаций, старт разрыва часто происходит именно на краю такой области) динамический разрыв может распространяться даже при относительно небольшом, по сравнению с пиковой прочностью контакта, уровне касательных напряжений. Условием этого является наличие на плоскости разлома других контактных областей, обладающих свойствами разупрочнения при сдвиге. 

       Разработанный метод исследования изменения проницаемости массива горных пород при динамических нагрузках позволяет выполнить приближенные оценки изменения проницаемости массива при воздействии зарядов сложной конфигурации с учетом напряженного состояния массива, а также провести расчеты изменения свойств массива в окрестности горных пород при землетрясении. Предложено соотношение, связывающее интенсивность деформации сдвига и относительное изменение коэффициента проницаемости массива при взрывном воздействии. 

      Продолжались полевые работы на Северо-Западном разломе Коробковского месторождения Курской магнитной аномалии (КМА). С помощью подземной малоапертурной сейсмической группы, установленной в шахте, были выполнены исследования реакции разломной зоны на воздействие массовых взрывов, производимых в ходе горных работ. Анализ сейсмических данных, зарегистрированных на глубине около 300 м, позволил определить основные характеристики слабых сейсмических сигналов, которые были инициированы взрывными работами. Оценка полученных параметров сейсмических событий в совокупности с исследованием масштабных соотношений позволила достаточно детально изучить процессы, происходящие в очаге. Для зарегистрированных событий были определены очаговые параметры и установлены эмпирические корреляционные зависимости между скалярным сейсмическим моментом и излученной энергией.

       Публикации : 

    1. Будков А.М., Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б. ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАССИВА ПРОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД В ОКРЕСТНОСТИ ПОДЗЕМНОГО ВЗРЫВА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №1 (2023) https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230102

    2. Гридин Г.А., Кочарян Г.Г., Морозова К.Г., Новикова Е.А., Остапчук А.А., Павлов Д.В. Развитие процесса скольжения по гетерогенному разлому. Крупномасштабный лабораторный эксперимент Физика Земли, №3 (2023) https://doi.org/10.31857/S0002333723030043

    3. Кочарян Г.Г., Беседина А.Н., Гридин Г.А., Морозова К.Г., Остапчук А.А. Трение как фактор, определяющий излучательную эффективность подвижек по разломам и возможность их инициирования. Состояние вопроса Физика Земли, №3 (2023) https://doi.org/10.31857/S0002333723030067

    4. Куликов В.И., Шарафиев З.З. Сейсмическое действие массовых взрывов при подземной разработке Коробковского железорудного месторождения на застройку и население г. Губкин // Вопросы инженерной сейсмологии. 2022. Т. 49. № 4. С. 79-90. https://doi.org/10.21455/VIS2022.4-5

    5. А.Н. Беседина, Г.А. Гридин, Г.Г. Кочарян, К.Г. Морозова, Д.В. Павлов, З.З. Шарафиев Активизация сейсмоакустических событий после массовых взрывов на железорудном месторождении КМА Физика Земли, - (2024)

    6. Беседина А.Н., Кочарян Г.Г. Новый подход к снижению риска крупных техногенных землетрясений, основанный на результатах микросейсмического мониторинга ГОРНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, S1, 28–34 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-S1-28-34

    7. Будков А.М., Кочарян Г.Г. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАЗРЫВА ПО АКТИВНОМУ РАЗЛОМУ С ГЕТЕРОГЕННЫМ ТРЕНИЕМ Динамические процессы в геосферах, т. 15. № 2, с. 1–12 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26006/29490995_2023_15_2_1

    8. Будков А.М., Кочарян Г.Г. ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНЫ НАРУШЕННОГО МАТЕРИАЛА В ОКРЕСТНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО СДВИГА ПО РАЗЛОМУ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД Физическая мезомеханика, - (2024)

    9. В.В. Ружич, Г.Г. Кочарян, А.А. Остапчук, Е.В. Шилько Разномасштабные неоднородности в сегментах сейсмоактивных разломов и их влияние на режимы скольжения Физическая Мезомеханика, - (2024)

    10. Куликов В.И., Шарафиев З.З. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ОТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, №5 с.78-84 (2023) https://doi.org/10.15372/FTPRPI20230509

    11. Шатунов И.В. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛОМНЫХ ЗОН ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЧАСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ – МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. Динамические процессы в геосферах. 2023;15(4):25-43. https://doi.org/10.26006/29490995_2023_15_4_25

       при поддержке RNF.png

    По любым вопросам можно связаться с

    Кочаряном Геворгом Грантовичем
    kocharyan.gg@idg.ras.ru
    +7 (499) 137 6611

    Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1



    при поддержке RNF.png