Кочарян Г.Г. Деформационные процессы в массивах горных пород

Подождите немного. Документ загружается.

261

мкммdb 5105100

2.0

=⋅==−

−

существенно меньшую величину, чем в случае системы скважина -

напорный пласт.

Начальная поверхность флюида

Пласт, ограниченный

водо

по

ным слоем только сниз

Изменение уровня в результате деформации

Рис.6.6 Схема безнапорного пласта

Хотя для более корректных расчетов необходимо

использовать теорию пороупругости, где рассматривается

деформирование среды, состоящей из упругого скелета с порами,

заполненными жидкостью, приведенные простые оценки правильно

оценивают характерные значения наблюдаемых параметров.

6.1.3 Приливное воздействие и сейсмичность

Поиск корреляции сейсмических событий с фазами Луны

имеет достаточно длительную историю. Еще в 1848 году Пирре

опубликовал исследования о связи частоты землетрясения с фазами

и перигейными положениями Луны, где утверждалось, что частота

землетрясений повышается к сизигиям; эта частота увеличивается,

если в это же время Луна близка к перигею, а также землетрясения

262

происходят гораздо чаще в моменты прохождения Луной местного

меридиана, чем на восходе и заходе. Проверкой установленных

закономерностей занималась специальная комиссия Французской

академии наук и признала закономерности достоверными.

Особенность действия приливных сил заключается в том, что

они действуют непрерывно на любую точку Земли. Меняется в

основном направление действия этой силы. Хотя величины

приливных напряжений малы (~10

Па) по сравнению с амплитудой

напряжений, сбрасываемых при землетрясении (~1÷100бар),

скорость изменения приливных напряжений обычно заметно выше

скорости эволюции тектонических напряжений. Эта небольшая

знакопеременная добавка к фоновому полю напряжений, может, в

принципе, оказаться решающей в случае "критического" состояния

подготовленного участка разлома.

Исследования триггерного эффекта приливов в последнее

время предпринимались многими

учеными. Часть из них находили

статистически значимую связь приливов и землетрясений (чаще

всего для небольших отдельных районов). Многие исследователи,

напротив, такой связи не обнаруживают. Таким образом, характер

влияния приливных сил на сейсмичность Земли до сих пор остается

неопределенным.

В отдельные годы, в самом деле, сильные землетрясения

происходят почти по графику полнолуний

и новолуний. Так,

например, в 1977 году только 3 из 13 сильных землетрясений (M>7)

произошли вне интервала в 1-2 суток от момента сизигий.

Однако установленный таким образом факт, что землетрясения

происходят около моментов сизигий, оказывается неопределенным,

если рассмотреть более обширный материал. Так в интервале 1954 –

1979г.г. оказывается, что приуроченность к сизигиям отмечается

лишь в 50% случаев

(рис.6.7).

263

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980

Годы

0.2

0.4

0.6

0.8

Доля событий о

оло сизигий

Рис.6.7

Доля землетрясений

7≥

произошедших в окрестности ±3

дня возле сигизий в период с 1954 по 1978г.г. Пунктирной линией

показана регрессия, проведенная методом наименьших квадратов

Можно предположить,тем не менее, что постоянное

циклическое воздействие приливными силами способно оказаться

конструктивным фактором при рассмотрении разнообразных

деформационных процессов в твердой Земле.

Для количественного описания вклада слабых периодических

воздействий необходима такая модель коры, в которой мог бы

осуществляться процесс накопления энергии. Первым шагом к

созданию подобной модели является осознание

роли блокового

строения земной коры. Процесс накопления упругой энергии в

блоках аналогичен процессу гистерезиса. При прохождении

знакопеременной приливной волны в системе напряженных блоков

остается некоторая необратимая деформация, которая может

постепенно привести к возникновению динамической

неустойчивости. Феноменологические основы подобной модели

будут рассмотрены ниже.

264

6.2 Микросейсмический шум

Сейсмические шумы или микросейсмы – колебания малой

амплитуды – были открыты в конце XIX века и с тех пор являются

одним из постоянных объектов изучения экспериментальной и

теоретической сейсмологии.

Долгое время за этими колебаниями не признавали

«созидательной» роли в деформационных процессах, происходящих

в твердой оболочке Земли. И дело здесь не только в том,

что

амплитуда микросейсм очень мала, но и в том, что в природе,

казалось бы, отсутствует механизм преобразования слабых

колебаний в перемещение горных масс. Господствовали

представления, что слабые хаотические колебания, подобно

тепловым, не могут рождать макроскопически организованное

движение.

С появлением моделей, учитывающих блоковое строение

горного массива, были предложены различные механизмы

трансформации колебательного

движения горных масс в

поступательное. Неспособные в силу малости амплитуды вызвать

деформацию геоматериалов, слагающих блоки, низкоамплитудные

колебания могут оказаться одним из важных факторов,

определяющих возникновение и развитие деформационных

процессов в земной коре из-за нетривиального свойства блочной

структуры – способности накапливать результаты воздействия

ничтожных по величине силовых полей. Эта возможность

обусловлена

нелинейностью деформационных характеристик

межблоковых разломных зон в области малых деформаций.

Здесь уместно также заметить, что информативность

результатов наблюдений микросейсмического фона пока

недооценена. Даже не обсуждая природу происхождения

микросейсм, можно констатировать, что, распространяясь в блочной

среде, эти колебания, несомненно, приобретают характерные

особенности, отражающие как структуру земной коры, так и

происходящие в ней

процессы накопления и релаксации

напряжений. Некоторые результаты измерений параметров

микросейсм в низкочастотной области свидетельствуют, что

265

структура фона имеет сложный характер, в котором проявляются

как квазистационарные колебания блоков размерами, по крайней

мере, десятки километров, так и импульсные колебания,

соответствующие релаксационным процессам этого же

иерархического уровня.

Генерация микросейсмических шумов может быть

обусловлена самым разнообразными процессами. Еще в 1904 г.

Е.Вихерт предположил, что основным источником микросейсм

является воздействие

морских волн на побережье.

В начале ХХ века академиком Б.Б.Голицыным было проведено

тщательное изучение микросейсм с помощью изобретенного им

электродинамического сейсмографа. Эти исследования положили

начало систематическому изучению смейсмических

микроколебаний в земной коре. Довольно быстро была установлена

связь между развитием микросейсмической активности и

существованием штормов на морях и океанах и

уже в 1915г.

Б.Б.Голицын, интерпретируя результаты наблюдений в Баку,

высказал предположение о роли строения среды, в частности,

нефтеносных слоев, на параметры "микросейсмических движений".

В последующем было установлено, что микросейсмический

шум проявляется в широком диапазоне частот (от сотых долей Гц до

нескольких кГц), а амплитуды варьируются в интервале от

нескольких микрон до долей нанометра. Были выявлены такие

дополнительные источники микросейсм, как крип по разломам,

относительные подвижки блоков, пластические деформации пород,

фазовые переходы, изменения напряженного состояния в результате

различных техногенных нагрузок и т.д.

Наиболее объективной характеристикой микросейсмических

шумов является их спектр. Для получения устойчивой оценки

среднего спектра, характеризующего условия

регистрации

сейсмических колебаний, анализу подвергается представительный

интервал записи – тем больший, чем больше период микросейсм.

Для получения данных о вариациях шумов в широком частотном

диапазоне, измерения проводятся регулярно в течение длительного

времени – месяцев или даже лет.

266

Параметры микросейсмических колебаний сильно зависят от

таких факторов, как местоположение точки наблюдений,

климатические условия, время суток и т.д. Фактически каждая точка

наблюдения имеет свой специфический «шумовой портрет».

(м/c

)

Гц

Рис.6.8. Спектры вертикальной компоненты сейсмического шума,

зарегистриованные на 75 станциях глобальной сейсмической сети.

Огибающие этих спектров определяют верхнюю и нижнюю границы

амплитуд микросейсм в различном диапазоне частот

Распространяясь в блочной среде, микросейсмические

колебания приобретают характерные особенности, отражающие как

структуру земной коры, так и происходящие в ней процессы

накопления и релаксации напряжений.

Судить о вариации амплитуд микросейсмического шума и об

относительной интенсивности колебаний в разном частотном

диапазоне можно судить по результатам обобщения Дж.Петерсоном

измерений, полученных на многих станциях

(рис.6.8).

267

По частотному составу и интенсивности микросейсмы

традиционно подразделяют на три типа. Считается, что

микросейсмы первого типа обусловлены источниками естественного

происхождения – мощными циклонами в океанах, которые

порождают сейсмические колебания, по форме близкие к

синусоидальным, с периодами 3-9с и амплитудой несколько микрон.

Эти микросейсмы регистрируются на всех станциях мира и

характеризуются мало изменяющимися

амплитудами и периодами.

Микросейсмы этого типа представляют собой, главным образом,

суперпозицию поверхностных волн Релея и Лява.

Микросейсмы второго типа обусловлены локальными

источниками как естественного, так и техногенного происхождения

(морской прибой, удары ветра о неровную поверхность Земли,

работа промышленных предприятий, транспорта и т.д.), амплитуды

которых могут достигать больших величин, а

периоды меняются

незначительно. В зависимости от региональных условий они могут

быть представлены суперпозицией либо поверхностных, либо

объемных волн от разных источников и обладают периодами менее

одной секунды. Интенсивность микросейсм этого типа довольно

быстро убывает с расстоянием от источника, а амплитуда может

изменяться в зависимости от грунтовых условий в 1000раз.

Выделяют,

также, микросейсмы III типа с сильно

различающимися периодами, представляющие собой наложение

колебаний от различных источников.

Рассмотрим некоторые особенности микросейсмических

колебаний в различных частотных диапазонах.

Длиннопериодный шум (периоды 10с – 10

с).

Колебания воды в океане имеют чрезвычайно широкий

частотный диапазон – от значений, соответствующих приливным

волнам (~10

с), до долей секунды. К длинным волнам на

поверхности мирового океана относятся приливы, штормовые

нагоны, а также волны, вызываемые либо атмосферными

процессами (анемобарические волны), либо — нелинейным

взаимодействием ветровых волн, зыби (инфрагравитационные

волны). Анемобарические и инфрагравитационные волны в спектре

океанских волн занимают промежуточное положение между

268

приливами и зыбью и имеют характерные периоды от нескольких

десятков секунд до нескольких часов. Эти длинные волны

генерируют сейсмические колебания самого низкочастотного

диапазона.

Шум в диапазоне 20-5000с часто связывают - с флуктуациями

атмосферного давления и турбулентными потоками в атмосфере.

Эти колебания проявляются, в первую очередь, на горизонтальных

сейсмометрах, что связано с наклонами

поверхности, вызванными

возникновением распределенной нагрузки от флуктуаций давления

на ограниченных участках поверхности.

Длиннопериодные колебания могут быть связаны и с

локальными конвективными перетоками жидкости. Так

низкочастотный шум при измерениях в обводненных скважинах

значительно выше, чем в сухих.

Квазимонохроматические пики, иногда регистрируемые в

низкочастотной области спектра фона, обычно связывают с

особенностями трансформации

энергии океанических волн в

сейсмические колебания, с штормами на больших расстояниях, а

также с другими менее изученными причинами.

Хотя низкочастотный шум имеет чаще всего

квазистационарный характер, иногда встречаются и

«нестационарные» участки, на которых явно прослеживаются некие

«импульсные» колебания (рис.6.9). Это могут быть как волны от

далеких землетрясений, так и проявления

неких специфических

деформационных процессов.

Так, например, в дальневосточном регионе довольно часто

регистрируются низкочастотные колебания малой амплитуды,

предшествующие сильным землетрясениям. Период этих сигналов

изменяется от нескольких секунд до нескольких сотен секунд, а

амплитуда составляет сотые – тысячные доли от амплитуды P-

волны.

269

1000

2000

3000

4000

Время, с

-20

орость, нм/с

5000

1000

2000

3000 4000

Время, с

-50

Скорость, нм/с

Рис.6.9 Примеры регистрации квазистационарного (сверху) и

импульсного низкочастотного сейсмического шума в Михнево

(Московская область)

При периоде сотни секунд, длина волны составляет величину

порядка тысячи километров. Казалось бы, такие длинные волны

должны почти беспрепятственно распространяться в Земле и

регистрироваться различными станциями. Эксперимент, однако,

этого не подтверждает. Такие сверхнизкочастотные импульсы часто

регистрируются на одной или на нескольких близкорасположенных

станциях, а в удаленных пунктах их обнаружить не

удается.

Это парадокс может быть объяснен, если приписать эти

импульсы колебательным движениям крупных тектонических

блоков.

Характерная собственная частота таких колебаний

соответствует свободным колебаниям блока на податливых

межблоковых промежутках. Простейшая аналогия – колебания

массы M на пружине c жесткостью K . Оценка характерных частот

может быть выполнена на основе результатов измерений жесткости

разных иерархических уровней (см. раздел

2), согласно которым

порядок величины нормальной жесткости

разлома длиной L

может быть оценен при помощи соотношения (3.34).

270

Собственная частота блока размером LxLxH , колеблющегося

на прослойке жесткостью

k может быть оценена как:

HLk

пр

⋅

⋅⋅

⋅

ρπρπρπ

, (6.12)

где ρ – плотность материала блока.

Полагая для оценки, что сдвиговая жесткость разломной зоны

может быть на порядок ниже нормальной, с учетом (3.34), получаем

период колебаний:

секL

7.0

4.13

4.1

01.0

105.1

103

⋅≈

⋅

⋅⋅

≈

⋅

, (6.13)

где L измеряется в метрах.

Таким образом, для блоков размером несколько десятков

километров, из (6.13) получаем периоды колебаний, составляющие

десятки секунд.

Что же может являться причиной возбуждения собственных

колебаний столь крупных объектов, как блоки земной коры

размерами в десятки километров? Для инициирования подобного

процесса необходимо присутствие объемных сил, а точнее градиента

этих

сил. Естественно предположить, что подобные градиенты тем

или иным образом связаны с гравитационным полем.

Возможными источниками возбуждения колебаний крупных

блоков могут быть приливные волны, неоднородности

гравитационного поля, связанные с плотностными неоднородностей

в мантии (плюмами) и т.д.

Штормовые микросейсмы (2-10 с).

В этом диапазоне частот колебания связываются, главным

образом, с передачей энергии морских волн в земную кору.

Существуют различные модели, описывающие процессы генерации

микросейсм в результате взаимодействия колебаний воды с

берегами и океаническим дном, образовании микросейсм стоячими

волнами на поверхности водных бассейнов, ветровыми нагрузками