Геомеханика разломов земной коры - от региональных масштабов до микротрещин

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00204

НазваниеГеомеханика разломов земной коры - от региональных масштабов до микротрещин

Руководитель Кочарян Геворг Грантович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-402 - Механизмы возникновения землетрясений, очаг, предвестники землетрясений

Ключевые слова Разлом, трение, режимы скольжения, землетрясение, техногенное землетрясение, триггерный эффект, лабораторный эксперимент, численное моделирование

Код ГРНТИ38.19.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

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. Основные задачи проекта: - анализ пространственных и временных закономерностей локализации деформаций разного иерархического уровня в земной коре; - исследование геомеханических условий и макроскопических проявлений эволюции процесса скольжения по трещинам и 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. 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 1м 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).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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 (год публикации - 2023)

2. 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 (год публикации - 2023)

3. 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 (год публикации - 2023)

Публикации

1. 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)
10.30686/1609-9192-2023-S1-28-34

2. 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)
10.26006/29490995_2023_15_2_1

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

4. Шатунов И.В. Гидравлические свойства разломных зон приповерхностной части земной коры - методы и результаты исследований. Состояние вопроса Динамические процессы в геосферах (год публикации - 2023)

5. 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 (год публикации - 2024)

6. 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, № 1. С. 3-14 (год публикации - 2024)
10.15372/FTPRPI20240101

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

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Центральной задачей работ по проекту в 2024 г. являлась разработка концептуальной модели процесса возникновения и развития динамической неустойчивости тектонических разломов в верхней части земной коры. Она направлена на решение одной из важнейших задач сегодняшнего этапа развития геомеханики разломных зон – формулировку адекватных подходов к численному моделированию процесса подготовки, развития и остановки скольжения. Проведен детальный анализ и систематизация имеющихся сведений о гидрогеологии сейсмогенных разломов на разных глубинах. Были рассмотрены механизмы, которые могут способствовать двум противоборствующим эффектам: увеличению давления флюидов на сейсмогенных глубинах в межсейсмический период и росту проницаемости в ходе динамического деформирования разломной зоны (Кочарян, Шатунов, 2024). Путем численных расчетов исследовались особенности формирования зоны нарушенной породы при разных режимах скольжения субрелеевском (скорость распространения разрыва не превышает скорости релеевской волны в среде) и сверхсдвиговом (величина скорость распространения разрыва выше скорости поперечных волн), исследовался вклад механизмов отрыва и сдвига в развитие нарушенной зоны вблизи разлома на разной глубине (Будков, Кочарян, 2024; Будков и др., 2025). Рассчитывались как конфигурация зоны разрушения, так и изменение основных механических характеристик и проницаемости. Выполненные расчеты, откалиброванные на результатах измерений при крупных подземных взрывах, показывают, что в окрестности сейсмогенного разрыва величина эффективной проницаемости разломной зоны может возрасти не более, чем в несколько раз, по сравнению с исходной величиной проницаемости зоны влияния, сформированной при квазистатическом росте разлома (Будков, Кочарян, 2024). Распространенные модели радикального (до 10 порядков величины) увеличения проницаемости разломной зоны в ходе распространения динамического разрыва (например модель «fault valve» (Sibson, 1992) основаны на представлениях об образовании открытых трещин в окрестности разрыва. Судя по результатам проведенных расчетов, на значительных глубинах такой эффект маловероятен, но на малых глубинах могут иметь место трещины отрыва, которые распространяются на расстояния в первые десятки метров от плоскости скольжения (Будков и др., 2025). Динамические эффекты кратковременного изменения порового давления в процессе распространения разрыва приводят к довольно сильным эффектам; таким, как резкое снижение эффективного трения, переход к сверхсдвиговой моде распространения разрыва, трансформация динамического разрыва в событие медленного скольжения (Кочарян, Шатунов, 2024). Проведенные лабораторные эксперименты с увлажненными глинами показали, что снижение коэффициента трения заполнителя при увлажнении не обязательно означает увеличение вероятности возникновения динамических событий. Более важная роль при рассмотрении динамики скольжения принадлежит вариации фрикционного сопротивления в процессе сдвига. Выполненные лабораторные эксперименты показали, что изменение минералогии глин, слагающих зону скольжения разлома, может привести к переходу из асейсмичного режима деформирования в сейсмогенное (Kocharyan et al., 2025). В ходе работ 2024 года проведено обобщение результатов лабораторных экспериментов, численных расчетов, данных натурных наблюдений (Кочарян и др., 2025). Показано, что развитие разрыва происходит по нескольким сценариям, определяемым взаимным расположением крупных зон фрикционного контакта (асперити), характеризующихся повышенной прочностью и свойствами скоростного разупрочнения. Уровень поврежденности в зоне влияния разлома определяет ее проницаемость, а, следовательно, влияет на величину порового давления и, как следствие, на эффективную прочность разлома. В 2024 году выполнены 2D расчеты процесса формирования зоны нарушения массива горной породы при распространении динамической подвижки по тектоническому разлому (Будков и др., 2025). В лабораторных экспериментах были определены закономерности развития (в пространстве и во времени) процесса излучения упругой энергии микродеформационными событиями в ходе подготовки главного толчка на многоблочном разломе с пространственно неоднородным распределением фрикционных свойств. Получены количественные соотношения, связывающие фрикционные свойства модельного разлома, параметры поля напряжений и энергетические характеристики подвижек, излученную энергию и скалярный сейсмический момент. Результаты численного и лабораторного моделирования, а также сопоставление очаговых параметров слабых сейсмических событий в окрестности двух шахт в разных сейсмических условиях, продемонстрировали перспективность использования таких параметров, как приведенная энергия микроземлетрясений и средняя скорость распространения разрыва в качестве индикаторов возможности возникновения крупных динамических событий на контролируемом участке разломной зоны. На основе данных лабораторных экспериментов с акустической эмиссией выявлена перспективность применения методов машинного обучения для определения времени и магнитуды готовящегося динамического события в режиме реального времени. Разработан новый подход к контролю опасности техногенных землетрясений в окрестности горнодобывающих предприятий Основные результаты работ 2024 года были представлены в 7 докладах на двух международных конференциях. Большая их часть опубликована в научных статьях.

Публикации

1. Будков А.М., Кочарян Г.Г., Шарафиев З.З. РАЗВИТИЕ ЗОНЫ НАРУШЕННОЙ ПОРОДЫ В ОКРЕСТНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВИЖКИ ПО ТЕКТОНИЧЕСКОМУ РАЗЛОМУ Физика Земли (год публикации - 2025)

2. Беседина А.Н. , Новикова Е.В., Белоклоков П.В., Комзелева В.П., Кулик Е.А., Маршакова Е.А., Нугманов И.И., Потапова К.Ю. ОСОБЕННОСТИ ЗОН ЛОКАЛИЗАЦИИ СИЛЬНЕЙШИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ КУРИЛО-КАМЧАТСКОЙ ДУГИ Физика Земли (год публикации - 2025)

3. Кочарян Г.Г., Остапчук А.А., Гридин Г.А., Кишкина С.Б., Павлов Д.В. О РОЛИ МАКРОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ СКОЛЬЖЕНИЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ И РАЗВИТИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ Физика Земли (год публикации - 2025)

4. Кочарян Г.Г., Шатунов И.В. Актуальные вопросы гидрогеологии сейсмогенных разломных зон Физика Земли, 2024. № 4. С. 182-211. (год публикации - 2024)
10.31857/S0002333724040121

5. Адушкин В.В. , Беседина А. Н., Кочарян Г. Г., Семенова И. Э., Жукова С. А., Журавлева О. Г. A New Approach to Hazard Control of Human-Triggered Earthquakes near Mining Facilities Doklady Earth Sciences, V.519. P.1930–1935 (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X24603213

Возможность практического использования результатов
Результаты численного и лабораторного моделирования, а также сопоставление очаговых параметров слабых сейсмических событий в окрестности двух шахт в разных сейсмических условиях, продемонстрировали перспективность использования таких параметров, как приведенная энергия микроземлетрясений и средняя скорость распространения разрыва в качестве индикаторов возможности возникновения крупных динамических событий на контролируемом участке разломной зоны. На основе данных лабораторных экспериментов с акустической эмиссией выявлена перспективность применения методов машинного обучения для определения времени и магнитуды готовящегося динамического события в режиме реального времени. Полученные результаты могут быть использованы для краткосрочного прогноза крупных динамических событий в условиях работающего рудника. Проведенный анализ показал перспективность создания новых методов мониторинга напряженных массивов при ведении горных работ с целью предупреждения инициирования крупных землетрясений, связанных с динамическим смещением по тектоническим разломам.