На правах рукописи - Кубанский государственный университет

На правах рукописи
Лозовой Виктор Викторович
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ И ВЛИЯНИЯ РАЗЛОМОВ НА
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ
Специальность 01.02.04. – Механика деформируемого
твердого тела
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Краснодар 2010
Работа выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования
«Кубанский государственный университет»
Научный
руководитель:
академик РАН, доктор физ.-мат. наук, профессор
Бабешко Владимир Андреевич
Официальные
оппоненты:
доктор физ.-мат. наук, профессор
Дунаев Игорь Михайлович
кандидат физ.-мат. наук, доцент
Евдокимов Александр Александрович
Ведущая
организация:
Институт физики Земли РАН
Защита состоится «21» октября 2010 г. в 14 часов на заседании
диссертационного совета Д 212. 101.07 при Кубанском
государственном университете по адресу: 350040, г. Краснодар,
ул. Ставропольская, 149, КубГУ, ауд. 231
С диссертацией можно ознакомиться в научной
библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет»
Автореферат разослан «
» сентября 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
М.С.Капустин
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Хорошо известно, что мощные землетрясения представляют
серьезную угрозу для населения и инфраструктуры, особенно таких
объектов, как жилые помещения, нефте - и газопроводы, терминалы,
порты, дороги и др. Многие геологические структуры обладают
возможностью долговременно накапливать деформации, но при этом
кратковременно разряжаться в виде землетрясений. Разрядка таких
напряжений может сопровождаться негативными геологическими
явлениями в виде межслоевых срывов, абдукции или субдукции по
ослабленным направлениям и т.п. Такие виды тектонической
подвижности могут приводить к активизации оползней и грязевого
вулканизма, изменению химического состава гидрологических
объектов в связи с изменениями генезиса разных водоносных
горизонтов, изменению ландшафтов с вытекающими отсюда
негативными экологическими последствиями.
В настоящее время накоплен значительный материал,
относящийся к оценке произошедших землетрясений, проявлению
некоторых признаков нарастания сейсмичности, закону повторяемости
землетрясений, по оценкам магнитуды и балльности сейсмических
событий, зонах традиционного проявления этих событий. Однако
исследований по анализу сейсмической напряжённости с позиции
механики разрушения литосферных плит выполнено очень немного.
Известные в этой области работы связаны со значительной
идеализацией литосферных плит – идеализацией неоднородностей,
разломов, вызванных незнанием строения литосферных плит в
заданном районе.
Тем не менее концепция механического разрушения литосферных
плит имеет под собой основу.
Различные вопросы теории и методов исследования как граничных
задач для дифференциальных уравнений, описывающих поведение
деформируемых тел, так и свойств самих материалов рассматривали
М.А. Алексидзе,
И.Н. Векуа,
М.И. Вишик,
В.С. Владимиров,
И.И. Ворович,
И.Ц. Гохберг,
Д.А. Индейцев,
М.Г. Крейн,
В.Д. Купрадзе, О.Н. Ладыженская, В.П. Маслов, В.П. Матвеенко,
С.Г. Михлин, Н.Ф. Морозов и др. Существенные результаты при
исследовании смешанных краевых задач получили В.М. Александров,
Б.Д. Аннин,
Н.Х. Арутюнян,
А.В. Белоконь,
А.О. Ватульян,
И.И. Ворович,
Б.М. Глинский,
Е.В. Глушков,
Н.В. Глушкова,
А.Г. Горшков,
Р.В. Гольдштейн,
И.Г. Горячева,
И.М. Дунаев,
3
Д.А. Индейцев, В.В. Калинчук, В.И. Колесников, А.В. Манжиров,
Н.Ф. Морозов, А.Д. Полянин, В.И. Моссаковский, С.М. Мхитарян,
В.В. Панасюк,
Г.Я. Попов,
О.Д. Пряхина,
В.С. Саркисян,
М.В. Сильников, А.В. Смирнова, Т.В. Суворова, Д.В. Тарлаковский,
Л.А. Фильштинский.
Вопросы концентрации напряжений в деформируемых телах при
наличии дефектов были глубоко изучены в работах В.Г. Баженова,
И.И. Воровича,
И.Г. Горячевой,
А.Н. Гузя,
И.М. Дунаева,
В.А. Еремеева,
Л.М. Зубова,
Д.А. Индейцева,
Д.М. Климова,
Л.П. Лебедева,
Н.Ф. Морозова,
А.В. Наседкина,
В. Новатского,
В.В. Новожилова, И.Ф. Образцова, Б.Е. Победри, М.Г. Селезнева,
А.Ф. Резчикова, Ю.А. Устинова, В.И. Феодосьева, К.В. Фролова,
Е.И. Шемякина, Ю.Г. Яновского.
Приведем аргументы, которые дают основания применять этот
подход в изучении проблем сейсмичности.
Кора Земли представляет собой деформируемое тело –
сферическую плиту в глобальном масштабе и плоскую в локальном; в
основном упругую, имеющую сложное строение, в которой различают,
как правило, три характерные границы: между осадочными
структурами и кристаллическими – гранитом, между гранитом и
базальтом (граница Конрада) и между базальтом и верхней мантией
(граница Мохоровичича). Это не исключает наличия и других
многочисленных границ, ”индивидуальных” в разных местах Земли.
Нельзя исключать и часть коры Земли, занимающую превосходящую по
площади территорию суши, покрытую океаном, где сформирована
граница между водным слоем и непосредственно твердыми
кристаллическими структурами дна.
Экспериментальные
исследования
глубинного
строения
литосферной плиты вплоть до нижнего основания в штате Огайо,
выполненные зарубежными учеными методом вибросейсморазведки с
использованием тяжелого передвижного вибросейсмоисточника
Y-3000, показали наличие как трещиноватого строения, претендующего
на блочность литосферной плиты, так и зоны ее сплошности.
На территории Краснодарского края в течение многих
десятилетий выявлялись разломы литосферных плит на основании как
структур геологического строения рельефа, так и зон повторяемости
землетрясений. На этой основе построена ГИС карта.
В то же время нет глубоких исследований типов разломов:
являются ли они сплошными (до границы Мохоровичича) или
4
частичными, выходящими на поверхность, либо на нижнее дно
литосферных плит, или чисто внутренними.
В ряде работ разломы моделируют трещинами. Но на примере
региональных разломов Краснодарского края видно, что некоторые из
них имеют протяженность в несколько десятков километров и имеют
каньонный характер. К ним модель трещины применять нельзя, нужен
другой подход. Все перечисленные сведения о разломах могут быть
получены, по-видимому, только экспериментальным путем.
В связи с вышесказанным можно сделать вывод о том, что нет
достаточно глубоких исследований влияния разных типов разломов на
напряженно-деформированное состояние среды и возникающие при
этом сейсмические волны. В настоящей работе предпринята попытка
решения некоторых из этих сложных проблем. В частности, впервые
методом блочных элементов строится модель каньонного разлома.
Основанием исследования являлось, в первую очередь, создание в
КубГУ и ЮНЦ РАН центров коллективного пользования
геофизическим
оборудованием,
включающим
тяжелые
вибросейсмоисточники Y – 3000, А – 1100, сейсмограф NX-48,
Магнитотеллурическое оборудование «PHOENIX». Прогресс в
теоретическом исследовании состоит в развитии в КубГУ и ЮНЦ РАН
методов блочных структур, позволивших исследовать ранее не
поддающиеся анализу граничные задачи.
Актуальность
проведенных
исследований
определяется
возможностью широкого использования их результатов в решении
перечисленных выше задач сейсмической безопасности. В условиях
роста тектонической активности территории Земли потребностями
практики диктуется необходимость разработки и применения
комплексных методов оценки тектонических нарушений и надежного
прогноза сейсмоактивных зон.
Целью исследования в диссертации является описание
напряженно-деформированного состояния коры Земли в зонах
нарушения сплошности и, прежде всего, в зонах разломов, в том числе
существующих в зонах грязевулканической деятельности, а также
нарушений однородности среды.
1. Таким образом первая задача, поставленная в диссертации
заключается
в
разработке
методов
оценки
напряженнодеформированного состояния литосферных плит вблизи зон нарушения
сплошности.
Однако эта задача будет носить чисто абстрактный характер до
тех пор, пока не будут установлены истинные параметры разломов и
5
нарушений однородности, их геометрические параметры и физикомеханические свойства примыкающей среды. Последняя задача может
быть решена только экспериментально.
2. Отсюда вторая задача, поставленная в диссертации, состоит в
разработке методов исследования геометрии в зонах нарушения
сплошности и однородности среды до глубин, охватывающих всю
толщину литосферных плит.
Научная новизна результатов работы
В связи с огромным разнообразием типов нарушений сплошности
и неоднородностями реальных литосферных плит, охватить все из них
каким-то набором упрощенных стандартов, например, плоскими
полостями, трещинами или включениями, и применить известные
методы их расчета не представляется возможным. Природа создала
совершенно неожиданные и гораздо более сложные по своей
геометрической конфигурации нарушения сплошности, отклонения от
которых могут существенно изменить параметры напряженнодеформированного состояния среды. Для описания сложных типов
нарушений сплошности в диссертации впервые используются
факторизационные методы, имеющие топологическую основу. К ним
относятся дифференциальный и интегральный методы факторизации.
Благодаря использованию этих методов представление параметров
напряженно-деформированного состояния среды можно представить в
интегральном виде.
В
экспериментальном
исследовании
новым
является
одновременное
использование
комплекса
методов
–
вибросейсморазведки и магнитотеллурического метода.
Научное и практическое значение результатов работы
Научное значение исследования состоит в развитии новых
математических методов исследования напряженно-деформированного
состояния протяженных тел со сложной границей и смешанными
граничными условиями.
Практическое значение исследования состоит в решении важной
проблемы
оценки
напряженно-деформированного
состояния
литосферных плит, необходимой для прогноза нарастания
сейсмичности и возможности возникновения землетрясений.
Практическое значение работы состоит и в развитии новых
экспериментальных методов поиска полезных ископаемых на основе
применения
комплекса
методов
вибросейсморазведки
и
магнитотеллурики.
6
Работа выполнена в КубГУ и ЮНЦ РАН в рамках исследований
при поддержке грантов РФФИ в 2005 – 2009 годах (проекты 05-0100902-а;06-01-00295-а; 06-01-96637-р_юг_а; 06-08-00671-а; 06-0196804-р_юг_офи; 06-08-96800-р_юг_офи; 07-05-00858-а; 07-01-12028офи; 08-01-99013-р_офи; 08-07-10000-к; 08-08-00447-а; 08-08-00669-а;
09-08-00171-а; 09-08-00294-а; 09-08-96522-р_юг_а; 09-08-96527-р_юг_а)
Достоверность результатов
Достоверность теоретических результатов следует из применения
факторизационных методов – дифференциального и интегрального
методов факторизации, опубликованных в ведущих журналах,
переведенных зарубежом и применяемых к различного типа задачам в
других областях науки. Эти результаты докладывались на
конференциях и семинарах, включены в научные отчеты.
Экспериментальные исследования проводились с использованием
сертифицированного отечественного и зарубежного оборудования по
утвержденным методикам.
Апробация работы
Результаты
работы
докладывались
на
Всероссийских
конференциях грантодержателей РФФИ в 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009
г., (Краснодар) на семинарах отдела проблем математики и механики
ЮНЦ РАН, Научно-исследовательского центра прогнозирования и
предупреждения
геоэкологических
катастроф
Кубанского
государственного
университета,
на
заседаниях
кафедры
математического
моделирования
Кубанского
государственного
университета.
Публикации
Основные результаты исследований, выполненных по теме
диссертации, содержатся в 16 публикациях, из которых 7 первых работ
– в важнейших изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список приведен
в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из Введения, 4–х глав, Заключения,
Приложений, Списка использованной литературы.
На защиту выносятся:
1.
Разработка
нового
метода
описания
напряженнодеформированного состояния литосферных плит вблизи зон нарушения
сплошности и однородности, разломов и влияний сложной геометрии,
метода основанного на идеях факторизации.
2. Получение общего представления параметров напряженнодеформированного состояния в форме интегралов.
7
3. Новый метод описания разломов литосферных плит с
использованием блочных элементов.
4.
Разработка
комплекса
экспериментальных
методов
исследования строения зон нарушения сплошности и однородности.
5. Проведение экспериментальных исследований в натурных
условиях по изучению строения зон нарушения сплошности и
однородности методами вибросейсморазведки и магнитотеллурики.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении дается обзор основных проблем и результатов
исследования в области оценки напряженно-деформированного
состояния литосферных плит.
В первой главе (первый параграф) приводятся основные
уравнения краевых задач, описывающих поведение деформируемых
сред, свойственных строению литосферных плит. В частности,
приводятся уравнения граничных задач термоэлектроупругости.
Второй
параграф,
посвященный
изложению
методов
факторизации для исследования и решения краевых задач механики
деформированного твердого тела, основан на прямом сведении их к
функциональным уравнениям.
В третьем параграфе приводится исследование для случая
неограниченной области.
Четвертый параграф посвящен исследованию краевых задач
двойной факторизации.
Изложенное в этих параграфах включает в себя алгоритм
дифференциального метода факторизации. Ниже демонстрируется
новый алгоритм на примере достаточно общей краевой задачи.
Рассмотрим следующую, достаточно общую, записанную в
операторном виде, краевую задачу для системы P дифференциальных
уравнений с постоянными коэффициентами в частных производных
произвольного порядка дифференцирования в выпуклой трехмерной
области  .
M
N
K
P
K (x1 , x2 , x3 )   Aspmnk p , (xm1 )( nx)(2 kx)3  0,
s  1, 2, ..., P,
m 1 n 1 k 1 p 1
Asqmnk  const ,   {1 , 2 , ...,  P }.
   s  ,
  x     x1 , x2 , x3  ,
x  x1 , x2 , x3 ,
8
x .
На границе

задаются следующие граничные условия:
M1 N1
K1
P
R (x1 , x2 , x3 )   Bspmnk p , (x1m )(xn2)(xk3)  f s , s  1, 2, ..., s0  P, x,
m 1 n 1 k 1 p 1
M 1  M , N1 ,  N , K1  K .
В случае, если область  является выпуклой, задача сводится к
решению системы нормально разрешимых псевдодифференциальных
уравнений.
С целью систематизации изложения дифференциального метода
факторизации выделяется несколько этапов:
– Сведение дифференциальных уравнений преобразованием Фурье к
функциональному уравнению.
Трехмерным преобразованием Фурье вида
n      n  x ei  x dx  F n ,
m  F m .

она сводится к функциональному уравнению вида
Κ(  )Φ   ω ,
Κ    Κ  i1 ,  i 2 ,  i 3   kn m ( ) ,

Здесь Κ(  ) - полиномиальная матрица-функция порядка P . Вектор
внешних форм ω имеет в качестве компонентов двумерные функции
вида
ω  s  ,
s  1, 2, ..., P
s  12 s dx1dx2  13s dx1dx3  23s dx2 dx3
Операции внешней формы имеют обозначения
dx1dx2  dx11dx22  dx12 dx12
dx1dx3  dx11dx23  dx13dx12
dx2 dx3  dx12 dx23  dx13dx22
Здесь введены векторы произвольной системы координат из
покрытий касательного расслоения поверхности тела. В декартовой
системе координат для касательных векторов произвольного элемента
покрытия приняты обозначения.
x1   x11 , x12 , x13 
x2   x12 , x22 , x23 
Коэффициенты внешних форм имеют сложный вид и приведены в
диссертации.
– Удовлетворение заданным граничным условиям.
Последнее достигается внесением в представление внешних форм
значений решения    и его производных по нормали на  , взятых
из граничных условий.
9
– Факторизация матрицы-функции K ( ) функционального уравнения в
виде Κ  3   Κ  3 ,   Κ r  3 
–
Сведение
функционального
уравнения
к
системе
псевдодифференциальных уравнений. Это достигается вычислением
форм-вычетов Лере.
– Получение представления решения краевой задачи.
В общем случае оно имеет вид

( x ) 

1
8
3


Κ r 1  3  Κ 1  3 ,    ωe
 i  3 x3
d1 d 2 d 3 , x  .

Или более наглядно, в виде
  xv  

1

4 2 

e

 i 1v x1v  2v x2v
s
 K 1  i   Τ  v ,  v , z v eiz
 r  v    1 2 s 

 x3 
v v
s  x3

v v
  

 K r 1  i v  Τ 1v ,  2v , z vs   eizs x3  d1 d 2

 x3 
P
 p Z mp ( zvs  )
v
v
v
tm 1 ,  2 , z s     
v
v
p 1  Q( z s  )K'( z s  )
T  { 0,0,...0,tm ,0,...0 }
Все, участвующие в представлении функции приведены в
диссертации.
Пятый параграф посвящен описанию метода блочных структур.
Будем считать, что область  блочной структуры состоит из
соприкасающихся выпуклых областей b , b  1, 2 ,...B с границами  b .
Может оказаться, что часть границы  bd некоторого блока b является
d  1, 2 ,...B , ее называем
общей с границей другого блока d ,
контактирующей. Остальные части границ обеих областей являются
неконтактирующими. Их будем обозначать индексами с одной буквой
 b ,  d . Они могут быть свободными или подчиненными внешним
воздействиям. Предполагается, что в каждой области  b ставится одна
из краевых задач, рассмотренных выше для систем дифференциальных
уравнений, в частных производных с постоянными, своими в каждой
области, коэффициентами.
Для каждого блока b  1, 2 ,...,B , имеющего свои механические
характеристики, возьмем определяющие уравнения изотропной теории
упругости в форме
(b  b ) graddivub  ub   bub  0,
ub  ub1 , ub 2 , ub 3
Здесь сохранены все традиционные обозначения
10
На не контактирующих частях границы ставятся традиционные
граничные условия теории упругости. На контактирующих частях, в
частности, на  bd , ставятся условия равенства векторов напряжений и
перемещений, т.е.
ub  u d , u c  uc1 , uc 2 , uc 3
t b =t d , t c  tc1 , tc 2 , tc 3 , tc1   c13 , tc 2   c 23 , tc 3   c 33
Следуя дифференциальному методу факторизации, граничная
задача сводится к системе функциональных уравнений, при этом
каждая область  b рассматривается в отдельности. В результате
приходим к системе функциональных уравнений вида
Κ b (  )Φb   ωb ,
Κ b    Κ b  i1 ,  i 2 ,  i 3   kbn m ( ) ,
b
b  1, 2,...,B.
Применяя
дифференциальный
и
интегральный
методы
факторизации, граничные задачи для блочных структур можно свести к
системе интегральных уравнений вида
 k

b
( x1 - 1 , x2 - 2 )tb (1 , 2 )d1 d2 = ub ( x1 , x2 )
Ωbν
x1 , x2 Ωbν ; 1    T
 k

d
( x1 - 1 , x2 -  2 )tc (1 ,  2 )d1 d 2 = uc ( x1 , x2 )
Ω pν
x1 , x2  Ω dν ; 1    T ;
 n ( x


b
1
- 1 , x2 - 2 )ub (1 ,2 )d1 d2 = tb ( x1 , x2 ),
Ωbν
x1 , x2 Ωbν ; 1    T
 n

d
( x1 - 1 , x2 -  2 )uc (1 ,  2 )d1 d 2 = tc ( x1 , x2 ),
Ω pν
x1 , x2  Ω dν ; 1    T ;
Решив данные уравнения, можем получить решение граничной задачи.
Во второй главе метод блочных структур применяется для
построения блочных элементов. В первом параграфе излагается способ
разложения решения на потенциальную и вихревую составляющие, что
дает возможность при моделировании блочных структур упростить
рассматриваемые граничные задачи до уравнения Гельмгольца.
Во втором параграфе на основании указанного подхода удается
моделировать разломы сложной формы, в том числе прямоугольные,
11
неограниченные, полуограниченные, ограниченные по протяженности и
любого размера. Ранее разломы моделировались только трещинами, что
является частным случаем построенных моделей. Даны все
определяющие уравнения пяти блоков, описывающих также разломы. В
качестве
примера
приводим
функциональное
уравнение,
псевдодифференциальное уравнение и представление решения для
одного из блоков.
Блочный элемент 1
0
 11 
c
   '
13
  c
 c

  '
33
0 c
 i 313  exp i  11 x13   21 x23   31 2b  dx13dx23 
c b
  '

43
 c b
0
b
  '

53
  b
 b

  '
63
0 b
 i 311  exp i 1111   21 21  d11d 21 
 i11 4  exp i  21 x24   31  x14  b   dx14 dx24 
 i 215  exp i 11 x15   21c   31  x25  b   dx15 dx25 
 i 216  exp i  11 x16   21c   31  x26  b   dx16 dx26
Псевдодифференциальное уравнение имеет вид
0 c
   '
F 1 ( x11 , x12 ) 
13
  c
 c
 
 '
33
0 c
 i 313  exp i  11 x13   21 x23   31 2b  dx13 dx23 
c b

  '
43
 c b
 i11 4  exp i  21 x24   31  x14  b   dx14 dx24 
0 b

  '
53
  b
 b
 
0 b
 '
63
 i 311  exp i 1111   2121  d11d21 
 i 215  exp i 11 x15   21c   31  x25  b   dx15 dx25 
 i 216  exp i  11 x16   21c   31  x26  b   dx16 dx26
  x11  0
x12  c
12
0
Общее представление решения
1 ( x , x , x )  F ( x , x , x )
1
1
1
2
1
1
3
1
1
1
2
1
3
1
1
0 c
    '13  i 311  exp i 1111   2121  d11d21 
  c
 c
 
 '
33
0 c
 i 313  exp i  11 x13   21 x23   31 2b  dx13dx23 
c b

  '
43
c b
0 b

  '
53
  b
 b
 
0 b
 '
63
 i11 4  exp i  21 x24   31  x14  b   dx14 dx24 
 i 215  exp i 11 x15   21c   31  x25  b   dx15 dx25 
 i 216  exp i  11 x16   21c   31  x26  b   dx16 dx26

В третьей главе описаны экспериментальные исследования
разломов сейсмическим и магнитотеллурическим методами.
Анализ тонкой структуры геологической среды при возбуждении
колебаний внешними поверхностными сейсмическими источниками
колебаний связан с необходимостью привлечения специализированных
технологий приема сейсмических сигналов. Эта задача весьма сложна в
экспериментальном исполнении ввиду реального многообразия
строения изучаемых объектов и в ряде случаев требует построения
математической модели изучаемой среды. Одно из основных
преимуществ подхода, основанного на разработке и анализе
математических моделей, – возможность учета каждой особенности
строения реальной геофизической среды, что позволяет выявить все
эффекты, связанные именно с данной изучаемой особенностью
строения той или иной геофизической структуры.
В свою очередь, математическое моделирование позволяет поновому подойти к постановке сложных экспериментальных работ,
связанных с изучением волновых процессов в геофизической среде,
интенсификацией нефтеотдачи, сред, состоящих из сильно сжатого
вещества, и др., а также дать правильное толкование наблюдаемым
геофизическим процессам и новым явлениям.
Натурный же эксперимент регистрирует общую картину, где
влияние всех элементов объединено, и зачастую сложно дать
однозначное объяснение выявленного эффекта.
Район выполненных исследований включает Ново-Дмитриевскую и
Северо - Ново-Дмитриевскую площади и перспективную площадь
Шебш, расположенную между ними. Размеры Ново-Дмитриевской
складки по кумскому горизонту 8х2 км. Она имеет три свода и
осложнена разрывами небольшой амплитуды. Северное крыло НовоДмитриевской структуры срезано Калужским надвиговым разломом,
13
плоскость которого падает на юг. Горизонтальная амплитуда надвига
превышает 500 м, вертикальная – составляет 500-800 м.
Сопоставление материалов сейсморазведки с данными глубокого
бурения, свидетельствует о том, что они не всегда согласуются в
полной мере, несмотря на большой объём проведенных здесь ранее
сейсмических исследований и большого количества пробуренных
скважин. Это в свою очередь свидетельствует о сложности глубинного
строения указанного участка, перспективы которого оцениваются
достаточно высоко.
Таким образом, опробование здесь новой аппаратуры и технологий
как сейсмических, так и магнитотеллурических исследований является
оправданным, поскольку способствует получению дополнительной
информации, позволяющей пролить свет на нерешённые вопросы.
При проведении экспериментов были отработаны два сейсмических
и магнитотеллурических профиля KS-1A и KSU-2 по одним и тем же
координатам, повторяющим друг друга, с использованием GPS
приемника Magellan 315. На первом профиле было отработано 300
пикетов сейсмического профиля и 9 пикетов магнитотеллурического
профиля, протяженностью 7,5 км.
Характер зарегистрированного волнового поля иллюстрируется
временным разрезом по двум профилям KS-1A и KSU-2, приведенным
на Рис.1. Здесь во временном интервале 0-3 сек. достаточно уверенно
прослеживаются отраженные волны, соответствующие наиболее резким
границам в геологическом разрезе. Соотношение сигнал/шум,
амплитудно-частотные характеристики сейсмической записи, уверенное
прослеживание целевых горизонтов позволяют оценить качество
полевого материала как вполне удовлетворительное.
Рис.1 Сейсмический временной разрез по двум отработанным профилям
14
На следующем этапе обработки будут выполнены процедуры
подавления среднескоростных и низкоскоростных волн-помех,
деконволюции, полосовой фильтрации, сортировки по общей
глубинной точке (ОГТ), ввода статических и кинематических поправок,
коррекции статических поправок, анализа скоростей и коррекции
кинематических поправок, подавления кратных волн, получения
суммарного разреза.
Рис.2 Структурная интерпретация профилей 1А и 2.
На данном рисунке красным выделена зона открытого сброса в
направлении северо-востока и осадочные слои между выступающими
отражающими поверхностями.
На заключительном этапе интерпретации сейсмических данных
выполнена обработка по временному разрезу, включающая следующие
процедуры: миграцию по временному разрезу, нуль-фазовую
деконволюцию по разрезу, переменную во времени полосовую
фильтрацию, подавление регулярных и нерегулярных помех по разрезу
и привязка сейсмического глубинного разреза к стратиграфическому
возрасту пород, заполняющих данный разрез (Рис.3).
15
Рис.3 Стратиграфическая интерпретация профиля 1 А, выполненная по данным
скважины Well 2, расположенной около пикета 310
Визуализация полевых данных МТЗ и результаты интерпретации
представлены в виде разрезов кажущегося сопротивления и фазы
импеданса и собственно геоэлектрического разреза по профилю (Рис.4).
Рис.4 Геоэлектрический разрез (сопротивление и фазы импеданса)
16
В четвертой главе описаны разломные структуры грязевых
вулканов Таманского полуострова. Проведены исследования по оценке
вулканических процессов, происходящих на Керченско-Таманском
периклинальном краевом прогибе, который в свою очередь является
сейсмоактивным регионом Краснодарского края.
Наиболее характерной особенностью Таманского полуострова и
прилегающих акваторий Чёрного и Азовского морей является полное
соответствие современного, относительно расчленённого рельефа
структуре неогенового комплекса, что свидетельствует о существенной
роли молодых неотектонических движений.
Целью исследований на вулкане «Ахтанизовский» были изучение
и мониторинг грязевых вулканов, изучение глубинного строения
подошвы вулканической постройки, а также региональных разломов,
приуроченных
к
вулканической
деятельности
Керченского
полуострова. В изучаемом нами районе был отработан один
магнитотеллурический профиль, проходящий от подножья до вершины
грязевого вулкана.
Полученные данные комплексных исследований указывают на то,
что субгоризонтальные флюидоносные зоны разуплотнения в земной
коре, вероятнее всего, представляют собой своеобразные горизонты,
приуроченные к трещиноватым породам. Они характеризующиеся
достаточно низкой величиной отношения флюид/порода и высокой
степенью химического взаимодействия с окружающей вмещающей
средой.
Таким образом, в литосфере кроме субвертикальных глубинных
разломов, для которых характерна непосредственная связь ювенильных
флюидных потоков с поверхностью, имеют место пологие
флюидоносные зоны (горизонты) значительных размеров, залегающие
на разной глубине. Ввиду повышенной температуры, обогащения
реакционно-способными газами и химическими соединениями
флюидные потоки отличаются высокой химической агрессивностью.
Опасность
представляет
непрерывная
микросейсмичность.
Концептуальная модель позволяет непротиворечивым образом
объяснить устойчивую пространственную локализацию и цикличный
характер землетрясений, других опасных геологических процессов,
периоды сейсмических затиший, форшоки и афтершоки, отчетливую
сейсмическую чувствительность вдоль определенных направлений,
дальнодействие крупных сейсмических событий, резкое усиление
сейсмотектонических движений в локальных участках, «арест»
сейсмогенных разрывов после разгрузки флюидно-магматического
17
очага, выброс и воспламенение горючих газов, повышение температуры
подземных вод и приземного воздуха, другие эффекты, наблюдаемые в
периоды подготовки и проявления сейсмических ударов.
Это позволяет наиболее надежно оценить сейсмический и
инженерно-геологический риски каждого активно тектонического узла,
региона в целом и, в конечном счете, вероятность прогнозирования
техногенных региональных изменений.
Интерпретация МТ данных осуществлялась при использовании
следующих программ интерпретации: 1) MT-Correct;
2) MTS_PROF_1.0; 3) MSU_MT1D; 4) MTS PROF INV [56].
На первом этапе был проведен анализ МТ данных Рис.5
Рис.5. Компоненты магнитотеллурического поля
На втором этапе исследования были выделены слои по
кажущемуся сопротивлению. По исследуемому профилю можно
выделить семь основных слоев с различными параметрами
сопротивления. Заключительным этапом интерпретации является
собственно сам геоэлектрический разрез (Рис.6).
18
Рис. 6. Геоэлектрический разрез вулкана «Ахтанизовский» до глубин 6614 м
По результатам глав 3 и 4, где описаны экспериментальные
исследования, получаем следующие выводы:
В
экспериментальном
исследовании
новым
является
одновременное
использование
комплекса
методов
–
вибросейсморазведки и магнитотеллурики (МТЗ).
Существует реальная необходимость комплексного использования
технических средств глубинного исследования строения Земли,
аппаратурой, изучающей различные физические свойства. Несмотря на
то, что принципиальная модель глубинного разреза в целом определена,
различная детальность, точность и масштаб данных, положенных в ее
основу, соответствующим образом сказываются на ее геологической
надежности. С этой точки зрения отработка опорного профиля
комплексом современных геофизических методов с единых
методических
позиций
позволяет
значительно
поднять
информативность исследований. Анализ результатов показал, что
использование двух методов (МТЗ и вибросейсморазведки) в комплексе
хорошо отражает основные геологические структуры и несет важную
информацию о глубинном строении региона.
19
Основные результаты и выводы
1.
Разработан
новый
метод
описания
напряженнодеформированного состояния литосферных плит вблизи зон нарушения
сплошности и однородности, разломов и влияний сложной геометрии,
основанный на идеях факторизации.
2. Получено общее представление параметров напряженнодеформированного состояния в форме интегралов.
3. Разработан новый метод описания разломов литосферных плит
с использованием блочных элементов.
4. Разработан комплекс экспериментальных методов исследования
строения зон нарушения сплошности и однородности.
5. Проведены экспериментальные исследования в натурных
условиях по изучению строения зон нарушения сплошности и
однородности методами вибросейсморазведки и магнитотеллурики.
6. Разработана методика исследования глубинного строения Земли
с использованием новейших теоретических достижений в области
электроразведочных методов, такого, как МТЗ.
7. Проанализированы тектонодинамические и петрографические
особенности структуры вулканических построек на территории
Краснодарского края, выявлены крупные положительные структуры на
уровне продуктивной стратиграфической толщи пород, выявлены
основные
региональные
закономерности
в
распределении
сейсмоактивных зон, приуроченных к локальным разломам и их
последующая интерпретация для изучаемого района исследований.
8. Проведен анализ геологического строения вулкана
Ахтанизовский.
Выяснено,
что
распределение
различных
литологических типов сопочной брекчии даже в пределах одного
грязевулканического поля, как по площади, так и в разрезе сложное,
неоднородное. Полученные данные по профилю, через вулкан
Ахтанизовский, фиксируют чередование различных типов разломов.
9. Проведен анализ пространственно-временного распределения
сейсмических событий в Краснодарском крае, приуроченных к
активным вулканическим процессам. Выявлены наиболее сейсмичные и
вследствие этого опасные, активные вулканические структуры.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы
в инженерной геофизике, при поисках релаксации слоистых структур,
для оценки сейсмического состояния изучаемой территории.
20
Список работ, опубликованных по теме диссертации в журналах,
определенных ВАК для докторских диссертаций
1. Бабешко В.А., Бабешко О.М., Евдокимова О.В., Лозово В.В.,
Мухин А.С., Чмыхалов С.П. К проблеме паспортизации сейсмических
трасс // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2006. №4.
С. 8-15.
2. Бабешко В.А., Вильямс Р.Т., Ратнер С.В., Лозовой В.В.
Некоторые методологические аспекты использования передвижных
вибросейсмоисточников различной мощности на урбанизированной
территории // Экологический вестник научных центров ЧЭС. №2. 2006.
С. 93-97.
3. Бабешко
В.А.,
Евдокимова
О.В.,
Бабешко
О.М.,
Зарецкая М.В., Павлова А.В., Мухин А.С., Лозовой В.В., Федоренко А.Г.
О приложениях теории блочных структур в науках о Земле,
сейсмологии, строительстве, материаловедении // Экологический
вестник научных центров ЧЭС. 2008. № 4. С. 30 – 37.
4. Бабешко
В.А.,
Евдокимова
О.В.,
Бабешко
О.М,
Федоренко А.Г., Рядчиков И.В., Лозовой В.В., Горшкова Е.М. О блочных
элементах в моделировании сложных структур и объектов //
Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2010 №1, С. 13-25.
5. Бабешко
В.А.,
Лозовой
В.В.,
Ратнер
С.В.,
Сыромятников П.В.,
Федоренко
А.Г.
Теоретические
и
экспериментальные исследования глубинного строения Земли в
аридных зонах // Вестник ЮНЦ РАН. Т.2. №2. 2006. С. 42-45.
6. Бабешко
В.А.,
Ратнер
С.В.,
Лозовой
В.В.,
Сыромятников П.В. Комплексные геофизические методы в изучении
глубинного строения Земли для построения модели напряженнодеформированного состояния земной коры // Вестник ЮНЦ РАН. №2.
2007. С.46-49
7. Евдокимова
О.В.,
Зарецкая
М.В.,
Павлова
А.В.,
Бабешко О.М., Лозовой В.В., Бабешко В.А., Федоренко А.Г. О
Полуограниченных блочных элементах // Экологический вестник
научных центров ЧЭС. 2009 №4, С. 14-19.
Список работ, опубликованных по теме диссертации в других
журналах
8. Бабешко В.А., Горшкова Е.М., Лозовой В.В., Мухин А.С.,
Гладской И.Б., Федоренко А.Г. Дифференциальный метод факторизации
в смешанных задачах для неклассических линейно деформируемых тел
// Наука Кубани, 2009 №2, С. 4-9.
21
9. Бабешко О.М., Горшкова Е.М., Гладской И.Б., Плужник А.В,
Мухин А.С., Лозовой В.В., Федоренко А.Г. Исследование динамических
и сейсмических процессов в блочных структурах, моделирующих
горные массивы // Наука Кубани, 2009 №2, С. 10-17.
10. Вильямс Р.Т., Чмыхалов С.П., Лозовой В.В. Использование
новейших
регистрирующих
средств
в
некоторых
геологогеофизических проблемах // Вестник Южно-Российского отделения
международной академии наук высшей школы. Природа общество
человек. №1 (14). 2002. С. 31-33.
11. Евдокимова О.В., Федоренко А.Г., Плужник А.В.,
Горшкова Е.М., Лозовой В.В., Мухин А.С. Разработка теории материалов
с управляемыми компонентами // Наука Кубани, 2009 №3, С. 10-15.
12. Лозовой В.В., Ратнер С.В. Использование комплексных
геофизических методов для изучения глубинного строения Земли //
Материалы международной научной конференции «Проблемы геологии
и освоения недр России». Ростов-на-Дону. Сентябрь 2006. С. 150-152.
13. Лозовой В.В., Ратнер С.В., Сыромятников П.В. Проведение
теоретических и экспериментальных исследований по изучению
глубинного строения земли и развитию методов активного воздействия
на среды // Экологический вестник научных центров ЧЭС. Приложение
№1. 2006. С. 37-39.
14. Лозовой В.В. Изучение глубинных сейсмоактивных зон
Северного Кавказа на основе вибросейсмотектонического метода
исследований // Экологический вестник научных центров ЧЭС.
Приложение №1. 2005. С. 50-52.
15. Ратнер С.В., Лозовой В.В., Сыромятников П.В., Вильямс Р.Т.
Использование
математического
моделирования
в
проблеме
мониторинга
сейсмической
опасности
//
Тезисы
докладов
международной научной конференции «Современные климатические и
экосистемные процессы в уязвимых природных зонах (арктических,
аридных, горных)». Ростов-на-Дону. 5-8 сентября 2006. С.163-164.
16. Ратнер С.В., Лозовой В.В. О моделировании геофизических
процессов в пористых средах // Обозрение прикладной и
промышленной математики. Вып. 2006. С.136-137.
22
Лозовой Виктор Викторович
Исследование строения и влияния разломов на
напряженно-деформированное состояние
литосферных плит
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
______________________________________________________________
Бумага тип. №2. Печать трафаретная.
Тираж 100 экз. Заказ № 772
350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149.
Центр "Универсервис", тел. 21-99-551.
23
24