Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Изучение процессов, протекающих в разломных зонах, требуют применения мультидисциплинарного подхода: интеграции комплексного геофизического мониторинга активных разломов, геологических изысканий строения разломов и физического моделирования динамики сложных зернистых систем. Физическое и численное моделирование эволюции разломов позволяют связать современные сейсмодеформационные наблюдения активных разломов, изучение палеоземлетрясений, а также сформулировать базовые положения модели эволюции разломов и трансформации режимов скольжения. Современные исследования закономерностей деструкции литосферы, позволяет уточнить модель эволюции разлома как сложной динамической системы. Повышение точности локации гипоцентров сейсмических событий дает нам новый инструмент получения сведений о строении и эволюции разломных зон. Для достижения цели проекта – построение комплексной геомеханической модели активной разломной зоны – требуется согласованность геологических, геофизических и механических представлений о динамике и эволюции структуры тектонических разломов. В условиях, когда имеется большой массив разнородных данных, а динамика системы не может полностью быть описана системой дифференциальных уравнений, чтобы её можно было смоделировать, или в случаях, когда физика процесса до конца не ясна, эффективным является применение алгоритмов машинного обучения с целью моделирования и предсказания эволюции состояния динамической системы. В 2020-21 гг реализация проекта предполагала выполнение 3 блоков исследований: 1) В серии лабораторных акустоэмиссионных (АЭ) экспериментов исследовалась динамика фрикционного скольжения разлома и сопровождающий данное скольжение акустоэмиссионный портрет. Было показано, что в условиях фрикционного скольжения процессы, протекающие на микроуровне, контролируют динамику скольжения разлома на макроуровне; а также наблюдается высокая корреляция между скейлинговым параметров b-value (закон Гуттенберга-Рихтера) и фрикционной прочностью модельного разлома. Самоорганизация среды на микроуровне сопровождается излучением большого числа импульсов АЭ. Применение алгоритма количественной категоризации, основанного на статистическом анализе волновой формы импульсов АЭ, указывает на формирование двух популяций АЭ с условно быстро и медленно нарастающей амплитудой и которые характеризуются различными закономерностями вариаций b-value. Рассмотрение b-value для двух популяций АЭ позволяет выявить закономерности эволюции как сильных, так и слабых динамических подвижек и определить переход разлома в критическую стадию лабораторного сейсмического цикла. Снижение b-value для импульсов с «медленным нарастанием волновой формы» является надежным индикатором перехода разлома в критическую стадию и указывает на подготовку и быстрых, и медленных динамических событий, но не определяет время до события. Даже лабораторный модельный разлом является достаточно сложной системой для полного описания физики происходящих на микроуровне процессов. Применение метода машинного обучения с учителем «случайный лес» позволило решить задачи прогнозирования поведения системы, не имея полного математического описания исследуемой системы – был определен момент наступления динамического события. При обучении и прогнозировании не учитывалось прошлое или будущее состояние модельного разлома, на вход подавались лишь данные в пределах определенного короткого временного интервала. Разработанный алгоритм машинного обучения позволяют на основе обработки больших многомерных массивов данных выявлять наиболее информативные параметр системы и с высокой точностью прогнозирует момент наступления динамического событий. 2) Были систематизированы данные геологических изысканий Приморского разлома Байкальской рифтовой зоны – сформирован ГИС-проект, содержащий сведения о более 200 образцов горных город. Сформированный ГИС-проект состоит из геологического модуля, представленного геологическими и тектоническими картами разных масштабов (1: 200 000 и 1:1 000 000), геодезического модуля (содержит положение всех точек отбора проб в пространстве), геофизического модуля, к которому привязана таблица со значениями химического состава для каждого образца и петрографическим описанием. В ходе проведения фактических работ в 2021г было выполнено петрографическое изучение 214 шлифов горных пород, слагающих зону Приморского разлома, представленных как основным комплексом пород массива, так и вмещающими породами. Произведено определение химического состава этих пород. На основе сформированного банка геолого-геофизических данных разработан метод выделения структурных связей в осевой зоне регионального разлома. В основе метода лежит комплексирование результатов кластерного анализа химического состава образцов с их петрографическим описанием. На основе данных химического анализа составлялись 10-мерные вектора, каждая компонента которого соответствует доле определенного оксида. Далее строилось кластерное дерево на основе алгоритма минимального покрывающего дерева с использованием метрики Чебышева. Независимые ветви дерева формируют три кластера, каждый из которых имеет обобщенное петрографическое описание. Один из кластеров фактически характеризует зону контакта основных и кислых пород, наиболее сильно подверженных тектоническим преобразованиям, выраженным в петрографических характеристиках пород. Породы данного кластера являются наиболее деформированными среди всех рассматриваемых кластеров. Ширина зоны, соответствующая образцам данного кластера, составляет 15 м и формирует центральную зону разлома. 3) Модернизирован и автоматизирован разработанный ранее подход специальной методики микроструктурного анализа (СММА), в частности стало возможно построение сложных диаграмм, расширены инструменты пространственного анализа, произведен переход к трехмерному анализу микроструктур, добавлена возможность построения схем плотности микроструктур. При построении роз-диаграмм учитывается не только количество объектов той или иной ориентировки, но и их длина, выраженная в реальных единицах измерения, что дало возможность визуально оценить характер распределения, значимость и выраженность на площади простираний выбранных линейных объектов, сравнить интенсивность деформаций, приведших к образованию той или иной системы микротрещин на различных этапах тектогенеза. Реализуемый методический подход, основанный на разработке программного модуля, интегрированного с ГИС, позволяет собирать и обрабатывать значительное количество данных, проводить картирование и выявлять закономерности распределения линейных объектов на площади ориентированного шлифа. Методика отработана на 35 ориентированных шлифах, представляющих все разновидности горных пород по профилю в зоне динамического влияния. В изученных с помощью СММА шлифах выделены различные типы и системы микроструктур. В процессе обработки и анализа данных шлифов исполнителями было изучено 1436126 микрообъектов, 647558 из них относятся к открытым микротрещинам, 788568 – к минерализованным микротрещинам. Получены результаты пространственного анализа обозначенных микроструктур с помощью СММА в контексте изменения тектонической обстановки. На основе изучения многочисленных микротектонических индикаторов, представленных в виде микроамплитудных смещений, пересечений, наложений, зон микробрекчирования удается реконструировать предварительную последовательность формирования выявленных генераций микроструктур. По результатам выполненных исследований было публиковано 3 статьи: - Acoustic emission reveals multiple slip modes on a frictional fault /Alexey Ostapchuk, Kseniya Morozova, Vadim Markov, Dmitry Pavlov and Maxim Popov // Frontiers in Earth Science. - 2021. - V9. https://doi.org/10.3389/feart.2021.657487. - Особенности формирования динамического сдвига в тонком слое гранулированного материала / А. А. Остапчук, Г. Г. Кочарян, К. Г. Морозова, Д. В. Павлов, Г.А. Гридин // Физика Земли. – 2021. – №5 (в печати). - Выделение структурных особенностей центральной части тектонического разлома / Г. А. Гридин, А. В. Григорьева, Э. М. Горбунова, В. В. Ружич, А. А. Остапчук // Динамические процессы в геосферах. – 2020. – Выпуск 12. – C.45-52.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Исследование процессов, протекающих в разломных зонах требует мультидисциплинарного подхода. В рамках реализации настоящего проекта были интегрированы знаний о процессах, протекающих в разломных зонах, и его структуре с точки зрения механики разломообразования, сейсмологии, структурной геологии и петрографии.На настоящем этапе основное внимание было уделено исследованию структуры разломных зон. В зависимости от структуры тектонического разлома и фрикционных свойств плоскости скольжения на разломе могут быть инициированы как быстрые динамические события, так и события медленного скольжения. В процессе эволюции разлома в плоскости скольжения формируются особые области локализации напряжений – контактные пятна – зоны формирования которых, вероятно, определяются геометрией берегов тектонического разлома. Полученные результаты были опубликованы в 3 статьях, индексируемые в Wos/Scopus, включая 1 статью в журнале первого квартиля. Также результаты выполнения проекта были представлены в виде 7 устных докладов на российских и международных конференциях. Основные результаты: 1. Был разработан новый подход к анализу пространственных закономерностей локализации сейсмичности, обусловленный именно строением разломной зоны. Были использованы данные высокоточного сейсмического каталога Северной Калифорнии. На первом этапе сейсмический каталог прошел процедуру декластеризации, т.е. были удалены все фор- и афтершоковые последовательности. На втором этапе для анализа пространственной структуры сейсмичности был усовершенствован алгоритм топологической фильтрации. Введение двух критических условий, основанных на «геологическом пониманиии» структуры разломов позволяет избежать экспертной оценки при реализации алгоритма и проводить локализацию, определять размер контактных пятен в автоматическом режиме. Вторым аспектом исследования высокоточных каталогов сейсмических событий был анализ статистического самоподобия контактных пятен (asperity) без попытки выделения отдельных иерархических уровней. При сделанных выше допущениях, можно определить эффективное количество «вложенных» asperities при изменении их радиуса. Для всех кластеров, сформированных в границах очагов основных землетрясений с M> 5, эффективное количество вложенных asperiities монотонно увеличивается с уменьшением радиуса по степенному закону: n(R)~R^(-d), d – показатель самооподобия. 2. Для понимания корректности полученных результатов в рамках выполнения первой задачи было проведено численное моделирование контактного взаимодействия жестких шероховатых поверхностей. Были построены фрактальные поверхности, заданные двумерной диапазонно-ограниченной функцией Вейерштрасса. Полученные в результатах численного моделирования данные о закономерностях локализации контактных пятен сравнивались с результатами выполнения задачи 1. Работы данного направления будут ключевыми на следующем этапе выполнения проекта 3. В соответствии с планом работы в отчётный период, проведен микроструктурный и петрографический анализ 300 образцов горных пород, отобранных по профилям на протяжении 160 км в зоне динамического влияния Приморского разлома Байкальской рифтовой зоны вкрест его простирания от п. Бугульдейка до д. Зама. Петрографическим анализом установлено, что отобранные образцы горных пород представлены многочисленными разновидностями преимущественно метаморфических и магматических пород, а также их метасоматически изменёнными разностями. Создана сводная таблица, где систематизированы все петрографические разности. В течение отчётного периода алгоритм автоматизации специальной методики микроструктурного анализа (СММА) был значительно доработан на основе исследования шлифов различных горных пород. Так как, несмотря на проведенную автоматизацию, реализация СММА остаётся достаточно затратной по времени, то наиболее детальные результаты микроструктурного анализа получены для района д. Сарма. Для всех остальных участков и профилей получены фотографии ориентированных шлифов, дано петрографическое описание по разработанным категориям и проведён предварительный пространственно-статистический анализ микроструктур. 4. Для определения закономерностей деструкции литосферы в центральной зоне тектонического разлома был проведен статистический, топологический и фрактальный анализы микротрещиноватости. Для 300 шлифов по построенным цифровым образам были оценены фрактальная размерность трещиноватости, оценена энтропия Шенона и выявлена топология трещиноватости на основе классификации точек пересечений и узлов сети трещин. Большой объем полученных данных позволил провести корреляционный анализ и установить сильную связь между топологией трещиноватости и фрактальными свойствами ансамбля трещин. Работы по данному направлению требуют более детального рассмотрения на следующем этапе выполнения проекта. 5. Полевые работы в 2021 году проводились на западном побережье озера Байкал, вдоль Приморского разлома, который представлен уступом в рельефе с перепадом высот до 600м. Приморский разлом входит в Байкальскую рифтовую систему разломов и протягивается на северо-восток от устья р. Бугульдейка до деревни Зама на расстояние более 100 км. Петрографические исследования выполнены в 251 образце по единой структуре, в которой описываются петрографический тип горной породы, тип тектонитов, процент матрикса, преобладающие типы деформаций, основные составные минералы, наличие метаморфических и метасоматических изменений, флюидный привнос. 6. Серия экспериментов была проведена на уникальном экспериментальном стенде RAMA в лаборатории Деформационных процессов в земной коре ИДГ РАН. Этот стенд представляет собой установку двухостного нагружения. Модельный разлом представлял собой контакт шероховатых поверхностей блоков размером 750х120 мм2. , который был заполнен мелкодисперсным гранулированным материалом. Для выявления фазовых превращений был применен метод синхронного термического анализа (СТА). Метод основан на синхронной регистрации изменения массы вещества delta(m) и количества подводимого тепла delta(Q) при нагревании. Сравнение кривых нагревания образцов заполнителя до и после экспериментов позволяет делать выводы о возможных фазовых превращениях.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Многие деформационные процессы в массиве горных пород представляют собой динамический разрыв или скольжение по уже сформированным разломам, трещинам и литологическим границам. К событиям подобного рода относятся как тектонические землетрясения, так и обрушение склонов, и горно-тектонические удары. Задача поиска физических механизмов, определяющих закономерности формирования различных типов событий и объясняющих нелинейные процессы эволюции на разных масштабных уровнях, в настоящее время остается актуальной. На заключительном году реализации проекта решались задачи, нацеленные на обобщение полученных результатов геологических изысканий, численного моделирования, лабораторных и полевых экспериментов. - Выполнен микроструктурный и петрографический анализ всей коллекции отобранных в пределах Приморского разлома образцов горных пород. Детализирована неоднородность и сегментирована зона динамического влияния Приморского разлома Байкальской рифтовой зоны. Сформирован цифровой каталог образцов горных пород Приморского разлома, включающий результаты определения химического состава, петрографическое описание и панорамные изображения шлифов. Все образцы имеют географическую привязку. Каталог включает информацию о 571 образце горных пород, ориентированных как по простиранию горной породы, так и вкрест простирания. - Статистический анализ микротрещиноватости и выявление аномалий пространственного распределения статистических параметров и их связь с вещественным составов горных пород. В рамках статистического анализа для всей выборки образцов были получены распределения длин трещин, выполнены оценки энтропии Шеннона и клеточной фрактальной размерности. Топологическое описание трещиноватости было основано на классификации узлов сети трещин на три типа и определении связности сети трещин. Выявлены характерные значения топологической связности для слабо и сильно деформированных образцов горных пород. Установлена корреляция между энтропией Шеннона и связностью сети микротрещин. Осуществлено изучение ориентировки и морфогенетических характеристик разрывных систем четырех масштабных уровней: километры, метры, сантиметры и миллиметры. Установлена взаимосвязь между такими геометрическими параметрами разрывных систем, как удельная плотность и удельная длина. Изменения этих показателей для различных масштабных уровней разрывных нарушений в зоне динамического влияния Приморского разлома демонстрируют близкую к линейной зависимость. - В рамках численного физико-математического моделирования исследовались закономерности контактного взаимодействия упругих поверхностей с фрактальной геометрией, для определения формы и закономерностей локализации контактных пятен (асперити). В процессе нагружения формируются зоны локализации напряжений (асперити), при этом расстояние между отдельными зонами существенно варьируется. Зоны асперити - запертые участки разлома – характеризуются более низкой скоростью относительного смещения его бортов, что приводит к накоплению дефицита перемещения. Перед локализованным срывом одного из асперити предсейсмический крип наблюдается только в зоне его локализации. При разрушении одного из асперити разрыв тормозится на ближайших «целых», где в дальнейшем накапливаются «наведенные» смещения малой амплитуды. В условиях наличия мягкой упругой прослойки между жесткими шероховатыми блоками наблюдается объединение асперити при расстояниях менее ~0.3-0.4 относительного размера асперити. Тем самым увеличивается эффективная площадь очага, но первостепенное влияние на динамику распространения разрыва начинают играют фрикционные свойства интерфейса разлома. Выполнено обобщение полученных результатов с целью построения концептуальной геомеханической модели активного разлома. Структурная составляющая модели включает определение характерных структурных особенностей ядра разлома, пространственную неоднородность вещественного состава и фрикционных свойств материала. Механическая составляющая включает закономерности пространственно-временных вариаций механических характеристик разлома и их сейсмоакустические проявления. Полученные результаты были опубликованы в 3 статьях (2 индексируются в Wos/Scopus), а также были представлены в виде 4 устных докладов на российских конференциях.

Публикации