Аннотация.

    Актуальные проблемы геомеханики связаны с изучением современных движений земной коры, ее динамики и развития деформационных процессов. В этом направлении наиболее важными задачами являются исследования механизмов генерации тектонических напряжений, формирования структур разрушения, тектонической расслоенности, медленных движений (в том числе крипа), происходящих при низких скоростях деформирования. Актуальной проблемой является также взаимодействие потоков энергии от экзогенных (солнечная энергия, приливы, метеориты и т.д.), эндогенных (тепловой поток, гравитация, кинетическая энергия Земли и др.) и техногенных (добыча топлива, наземное и подземное строительство, захоронения отходов и др.) источников с земной корой, их баланс и устойчивость деформационных ре-жимов в земной коре.
     В целях решения указанных проблем в институте развит ряд геомеханических моделей твердого тела с неоднородностями, модели деформирования блочного массива с учетом дифференциальных движений и стесненных поворотов, с учетом нормальной и сдвиговой жесткости межблоковых промежутков, физическая модель образования основных структур твердой оболочки Земли, структурно-динамическая модель взаимодействия приповерхностных геологических структур и глубинных неоднородностей коры и верхней мантии, модель движения блочной среды с аномально низким внутренним трением.
     В случае деформирования твердой среды с неоднородностями в ней возникает динамическая структура, характерные размеры которой зависят от масштаба и скорости деформации. Возникающие структуры способны запасать механическую энергию и продлевать деформационные процессы при остановке воздействия. Возникновение блочной структуры придает твердой среде новые степени свободы и большую подвижность. Диссипативные процессы в такой среде определяются явлениями на контактах и межблоковых промежутках. Установлены критерии реализации медленных движений с низкими скоростями деформации, при которых отсутствуют разрушения. Показана роль приливных сил в генерации тектонических напряжений, расслоенности земной коры и функционирования подземной гидродинамической сети. Определены условия образования оползней, связанные с процессом дезинтеграции породы при крипе, развивающемся вблизи склона под действием силы тяжести. Разработаны представления о сейсмическом режиме как деформационном процессе с накоплением деформаций и концентрацией напряжений на неоднородностях и в зонах тектонических нарушений. Развита сейсмическая концепция взаимодействия орогена и платформы как единой системы с активными объемами, расположенными в глубинах коры и верхней мантии.

     Abstract.

    Actual problems of geomechanics are related to study of modern movements in the Earth crust, its dynamics and evolution of deformation processes. Problems of mechanism of tectonic stress generation, formation of destruction structures, tectonic lamination, slow movements (including creep processes) occurring during low velocity deformation are of principal importance. Also, the actual problem is the interaction of energy flows from exogenic (solar radiation, tides, meteorites, etc.), endogenic (inner heat flux, gravity, Earth kinetic energy, etc.), and technogenic (fossil extraction, under and above ground construction, underground waste disposal) sources with the Earth crust, their balance and stability of deformation regimes in the crust.
     There is a number of geomechanical models for solid body developed in the Institute. They are models of a solid body with inhomogenieties, models of blocky massif deformation with differential motions and confined rotations, including normal and shear rigidity of interblock joints, physical model of principal Earth shells creation and development, structural-dynamic model of near surface geological structures and deep crust and upper mantle inhomogenieties interaction, model of motion of a blocky medium with anomalously low inner traction.
     Dynamic structure arises in a solid medium with inhomogenieties when it undergoes deformation. Characteristic size of the structure depends on scale and deformation rate. The structures are able to store mechanical energy and continue deformation processes when outer loading is already absent. New degrees of freedom arise in the blocky structure increasing its mobility. Dissipative processes in such a medium are determined by phenomena on joints and contacts. Criteria of slow movements during low velocity deformation with no fracturing are revealed. Importance of tide forces is shown for generation of tectonic stresses, lamination of the crust and functioning of underground hydraulic system. Conditions of landslides formation are determined as related to the process of rock disintegration during creep developing near the slope under gravity force loading. Concept of seismic regime as a deformation process with the deformations stored and stress concentrated on inhomogenieties and tectonic fractures is developed. Seismic concept is developed for interaction between an orogene and platform as a unified system with active volumes inside the crust and upper mantle.
     (V.V. Adushkin - Actual problems of the Earth crust geomechanics. "Herald of the DGGGMS RAS" № 1(16)'2001)

Содержание

1. Введение
   
2. Основы геомеханики
   
3. Основные положения геомеханики земной коры
   
4. Актуальные проблемы геомеханики земной коры
   
5. Геомеханические модели земной коры
   
6. Заключение
   
   

1. Введение

     Геомеханика – это наука о механическом поведении породного массива и его составных частей в условиях естественного залегания под действием внешних сил. Геомеханика изучает физико-механические свойства горных пород, устанавливает законы формирования напряженного состояния и разрушения горных пород, развития в них деформационных процессов, образования блочных и складчатых структур, движения жидкости и газа, выявляет условия устойчивости горных выработок и склонов. Объектом исследования геомеханики является земная кора, которая характеризуется неоднородным и блочным строением, наличием трещиноватости и тектонической расслоенности. Земная кора – это твердый, относительно жесткий внешний слой Земли, образовавшийся в результате остывания ее поверхности в условиях тектонических движений, ударных процессов извне и вулканизма изнутри. Земная кора развивается, ее составные части находятся в движении, она взаимодействует с атмосферой и гидросферой, обмениваясь с ними массой и энергией. В результате поверхность земной коры непрерывно изменяется.
     При таком подходе к геомеханике ее место в науках о Земле рядом с геодинамикой или, по крайней мере, в качестве ее составной части [1]. Действительно, геодинамика изучает движение вещества во всем объеме земного шара: в ядре, мантии и литосфере. В связи с этим геодинамика состоит как бы из двух крупных частей: глубинная геодинамика (движение твердого ядра, движение вещества в жидком ядре и мантии, развитие вулканизма, образование плюмов и горячих точек), и геодинамика литосферы (геотектоника), изучающая движение литосферных плит, континентов, внутриплиточных геоблоков. Геомеханика примыкает к этой второй составной части геодинамики, концентрируя свои усилия на изучении деформационных процессов, возникающих в земной коре под действием природных и техногенных сил на разных масштабных уровнях. Практически важным объектом изучения геомеханики являются самая верхняя часть коры где развивается техногенная деятельность человечества. И здесь геомеханика обеспечивает научными разработками технологические процессы извлечения нефти и газа, подземную и открытую добычу твердых полезных ископаемых, подземное строительство, создание подземных хранилищ и др. По этой причине геомеханику относят к категории горных наук [2]. Однако, проводя фундаментальные исследования широкого спектра деформационных процессов в структурах земной коры под воздействием гравитационных сил, солнечной энергии, центробежных и других планетарных сил, а также изучая механизмы формирования современного напряженного состояния под действием тектонических сил, геомеханика выходит за рамки горных наук. Хорошо развитый аналитический аппарат геомеханики, ее физические модели и методы математического моделирования могут оказаться полезными при решении задач структурной и глубинной геологии. Более того, в рамках определенных допущений методами геомеханики возможно проведение исследований природы движения литосферных плит, внутриплиточных дифференциальных перемещений и связанных с этими движениями процессов разломообразования и сейсмического режима.

2. Основы геомеханики

     Основы геомеханики связаны с развитием теоретической и прикладной механики и составляют: а) Физические представления о деформационных свойствах твердых горных пород (твердое тело, упругое тело, сыпучая среда, вязкоупругая среда, пластичная среда, трещиноватая порода, неоднородная среда), записанные в виде соответствующих уравнений состояния. б) Описание поведения горных пород в массиве под действием внешних сил, представленное в виде уравнения движения. в) Аналитический аппарат исследования деформаций и напряжений, опирающийся на соответствующие механические модели:
-континуальные модели механики сплошных сред, использующие математические аппараты теории упругости, гидродинамики, теории пластичности или вязко-упругих тел, механики сыпучих сред и грунтов; несмотря на сильную идеализацию континуальные модели по-прежнему остаются востребованными для оценок и контроля.
-дискретные модели механики скальных пород, когда для нахождения решения используются методы конечных элементов, граничных элементов, конечных разностей, дискретных элементов и т.п.
-современные геомеханические модели земной коры, при разработке которых пришлось отказаться от континуальных моделей и дискретных моделей однородных деформируемых тел, и были введены в обращение модели тел, потребляющих подводимую извне энергию и формирующих диссипативные структуры, из которых наиболее распространенной является блочная среда. г) Решение типовых задач геомеханики в рамках той или иной принятой модели с целью проиллюстрировать качественно или количественно результаты движения в массиве горных пород под действием внешних сил.

3. Основные положения геомеханики земной коры

• Земная кора – открытая динамическая система, в которой под действием внешних и внутренних источников энергии развиваются процессы самоорганизации.
• Земная кора имеет неоднородное строение и разбита разломами и трещинами на блоки раз-личного размера. М.А.Садовским было показано, что линейные размеры блоков подчиняются определенной иерархии [3,4]. При этом структурная иерархия блоков в земной коре существует на различных масштабных уровнях, и диапазон ее размеров занимает по меньшей мере 15 порядков.
• Блочные структуры земной коры энергонасыщены – в блоках и на неоднородностях способна накапливаться упругая энергия, которая обеспечивает развитие динамических процессов и часто разряжается землетрясениями.
• Под воздействием природных сил (гравитация, инерция и др.) происходит непрерывное деформирование структур земной коры. Происходящие при этом в коре медленные изменения необратимы.
• Движение блоков в коре порождает напряженное состояние, в частности, тектонические напряжения.
• Под действием напряжений происходит разрушение коры, развиваются поцессы трещиннообразования, расслоенности, разломообразования, образуются новые структуры разрушения. Развитие разломов и межблоковых промежутков обеспечивает непрерывный процесс деформирования блочных структур. Возникающие в процессе самоорганизации структуры земной коры, в свою очередь, обеспечивают обмен энергией между блочными системами разного масштаба и подобие протекающих в них физических процессов.
• Развитие блочных структур влияет на распределение напряжений в земной коре. Поэтому напряженное состояние в блочной среде динамично и иерархично в соответствии с иерархией блочных структур [5].
• Важная роль в блочной структуре земной коры принадлежит межблоковым промежуткам – разломам и трещинам, заполненным обломочным материалом и мягким грунтом. Наличие межблоковых промежутков определяет в целом деформационные свойства горных массивов и их устойчивость к внешним воздействиям.
• Деформационные свойства земной коры определяют развитие рельефообразующих процессов (горообразование, оползневые процессы, складкообразование, вертикальные и горизонтальные движения).
• Блочной структуре земной коры как составной части земной системы принадлежит существенная роль в развитии биосферы. Наличие и развитие межблоковых промежутков создают зоны повышенной пористости и проницаемости для поступления жидкости и газа в земную систему. Непрерывное деформирование структур коры и ее горизонтальная расслоенность создают условия для образования и накопления нефти и газа.
• Блочное строение, энергонасыщенность и напряженно-деформированное состояние определяют особенности антропогенной деятельности в земной коре. Под действием техногенных факторов происходит перераспределение потоков энергии и напряженного состояния, возникают относительные подвижки структурных блоков, и происходит высвобождение запасенной в блоках упругой энергии. В конечном счете, это приводит к нарушениям равновесия, авариям и катастрофам.
  
  

4. Актуальные проблемы геомеханики земной коры

     Представляется целесообразным выделить три крупные проблемы, решение которых связа-но с развитием в нашем институте фундаментальных исследований геомеханики земной коры.

       4.1. Современные движения земной коры блочного строения и развития в ней деформационных процессов на разных масштабных уровнях. Составные части этой проблемы следующие:

• Разработка нового раздела геомеханики – развитие медленных движений в структурах земной коры. Эти движения сопровождаются дезинтеграцией среды и характеризуются устойчивыми режимами деформирования. Дело здесь заключается в том, что природные твердые тела больших размеров при очень медленном деформировании, хотя и сохраняют локально упругие свойства, в целом ведут себя как вязкие жидкости. Изучение этого явления и является задачей этого раздела геомеханики.
• Выявление физических механизмов генерации напряженного состояния и процессы его релаксации. Природа действующих сил, которые формируют напряженное состояние на разных масштабных уровнях, может быть различной. Это и гравитация, и тепловая конвекция, и приливные силы, и силы инерции, и планетарные причины. Неочевидна природа движущих сил в тектонике литосферных плит. Детального изучения заслуживают тектонические напряжения регионального уровня, а также сейсмический режим как следствие деформационных процессов в земной коре.
• Изучение процессов формирования структур разрушения, блочной структуры и основных структурных элементов земной коры: зон растяжения и сжатия, поднятия и опускания, тектонических разломов разного ранга, горизонтальной расслоённости и т.п. Влияние деформационных процессов на движение флюидов по проницаемым пластам и разломам.
• Выявление движений, ответственных за воспроизводство ландшафтов на региональном уровне. Поверхностный массоперенос является активным рельефообразующим фактором, особенно в горных районах, где развиваются оползневые явления и образуются длиннопробежные лавины.
• Анализ функционального назначения блочной структуры для биосферы, в особенности в верхней тонкой части земной коры. Это тот слой, на поверхности которого зародилась жизнь, где происходит обмен газами, водой и энергией с атмосферой и гидросферой, наиболее интенсивными в области разломов и межблоковых промежутков. Блочное строение – важный элемент для обеспечения жизнедеятельности в биосфере.
  

       4.2. Взаимодействие энергетических потоков с земной корой, их баланс и устойчивость деформационных режимов в земной коре.

     Содержание этой проблемы связано с тем, что земная кора как открытая система испытывает воздействие экзогенных (поток солнечной энергии, приливные силы, метеориты и др.) и эндогенных (тепловой поток, гравитация, силы инерции и др.) источников энергии и вещества. К этому следует добавить антропогенное воздействие на земную кору. Об энергетике природных и антропогенных источников можно судить по следующим данным:

• Гравитационная энергия Земли 2,5•10³⁹ эрг
  
• Энергия вращения Земли 2•10³⁶ эрг
  
• Энергия излучения Солнца 10⁴¹ эрг/год
  
• Энергия излучения на поверхности Земли 5,5•10³¹ эрг/год
  
• Энергия излучения поглощенная Землей 2,6•10³¹ эрг/год
  
• Тепловое излучение Земли (2-4) 10³¹ эрг/год
  
• Энергия теплового потока Земли 10²⁸ эрг/год
  
• Полная энергия деформаций 10²⁶-10²⁷эрг/год
  
• Полная сейсмическая энергия 10²⁶ эрг/год
  
• Энергия твердых приливов в земной коре 2•10²⁷эрг/год
  
• Выработка энергии человечеством 5•10²⁷эрг/год
  

     Из данных следует, что Земля обладает огромным запасом кинетической энергии, тепловой энергии и собственным гравитационным потенциалом. Огромен также поток солнечной энергии и работа приливных сил. Все процессы в геосферах, в том числе в земной коре питаются за счет энергии от указанных выше природных источников. Планета в целом потребляет столько энергии, сколько смогут освоить её структурные образования и биосфера. Структуры геосфер регулируют потоки энергии, и эту функцию они осуществляют путем изменения вещественного состава, своей структуры и поддержания внутреннего движения, а также перемещения литосферных плит и геоблоков разного ранга. Эти структуры обеспечивают также динамическое равновесие между притоком, поглощением и релаксацией механической энергии в системах земной коры. Представляется важным изучить физические механизмы переработки энергии и величину вклада каждого источника в деформационные процессы, развивающиеся в земной коре. Таким образом, составные части обсуждаемой проблемы следующие:

• Воздействие потока солнечной энергии. Известно, что потоки солнечной плазмы вступают во взаимодействие с Землей на границе её магнитосферы. В то же время электромагнитное излучение от Солнца эффективно взаимодействует с Землей в верхней и средней атмосфере, питая энергией фотохимические процессы образования жизненно важных газов. Видимое излучение и некоторые части ультрафиолетового и теплового излучений доходят до поверхности Земли (в среднем 9•10^-2 вт/см2) и поглощаются земной корой. Излучает Земля только тепловые лучи в инфракрасном диапазоне, поток которых составляет примерно 4•10^-2 вт/см².
• Воздействие приливных сил Луны, Солнца и др. планет на структуры земной коры. Учет приливного воздействия важен для многих процессов в земной коре, в том числе и для развития геодинамических движений и деформационных процессов. Представляется, что роль приливных воздействий в этом отношении и вообще в геологической эволюции явно недооценивалась. Регулярность и направленность приливных движений крайне важны для накопления необратимых изменений в земной коре.
• Воздействие кинетической энергии Земли. Реализация этой энергии связана с работой сил инерции, возникающих при вариациях осевого и орбитального движения Земли, а также центробежных сил и сил Кариолиса. Величина вклада этих сил в механическое движение структур Земли существенно зависит от масштаба природных объектов, и оценить его применительно только к структурам земной коры весьма сложно. Определенные возможности такой оценки появляются при учете её блочного строения.
• Воздействие теплового потока. Полная энергия теплового потока достаточно велика, чтобы рассматривать его в качестве одного из основных источников механического движения в недрах Земли. Безусловно, велик перенос массы в жидком ядре и мантии за счет тепловой конвекции, которая по-видимому, является основным источником движения литосферных плит. Однако в остывших и твердых породах земной коры перенос тепла происходит только путем теплопроводности, и величина теплового потока невелика (в среднем 6•10^-6 вт/см²). Поэтому вклад теплового потока в механическое движение геоблоков земной коры следует учитывать опосредованно через структуры верхней мантии.
• Воздействие собственных гравитационных сил Земли. Гравитационная энергия является очень эффективным источником деформационных процессов во всех геосферах, в том числе и в земной коре. Запасы потенциальной энергии огромны и легко реализуются в каждом удобном случае. Чем больше размер природного тела и выше его плотность, тем эффективнее вклад гравитации. С этим источником энергии связаны многие процессы в земной коре: изостазия, рельефообразование, оползневые явления (обрушения склонов, провалы, проседания, оползни на шельфах), латеральные движения.
• Воздействие источников энергии в земной коре на окружающую среду. Поступающая в земную кору энергия создает в ней энергоактивные зоны, которые в свою очередь генерируют физические поля и явления в среде обитания человека. Релаксация тектонических напряжений сопровождается сейсмическим режимом вплоть до крупных землетрясений. Сейсмические и флюидодинамические процессы в земной коре являются источником аномальных явлений на фоне глобальных геодинамических полей Земли. Заслуживают внимания зоны глубинных разломов и проницаемых межблоковых промежутков, являющихся естественными волноводами для выхода сейсмической энергии, электромагнитного излучения, глубинных флюидов и газов.
• Воздействие метеоритов и других космических тел. Потоки метеоритов перерабатываются в основном в верхней атмосфере. За год на всю поверхность Земли выпадает свыше 100 тыс.т метеоритного вещества, в том числе около 500 метеоритов размером более нескольких см. Опасность представляют метеориты порядка 10-10² м и свыше. Роль импактных воздействий на земную кору в её геологической эволюции и в возникновении катастрофических явлений (ударные кратеры, выбросы пыли и продуктов удара, образование волн цунами и т.д.), также как процессы извержения вулканов заслуживают особого внимания.

      4.3. Воздействие техногенных источников на земную кору. Геомеханика и техногенез.

     Интенсивная добыча полезных ископаемых, извлечение нефти и газа, строительство топливо-энергетических комплексов привели к значительным изменениям природной среды. Земная кора как составная часть среды обитания уже заметно нарушена техногенной деятельностью. Достаточно только помнить, что ежегодно в мире перерабатывается примерно 10¹² м³ горных пород. Реакция земной коры на техногенные воздействия зависит не только от интенсивности и вида воздействия, но и от характера естественного деформационного процесса, энергонасыщенности структур коры, распределения и величины напряженного состояния. Виды отклика земной коры на техногенные воздействия весьма разнообразны: техногенные и индуцированные землетрясения при заполнении водохранилищ, извлечении нефти и газа, закачке в земные недра воды и отходов, при проведении крупномасштабных взрывов и горных работ, включая горные удары, внезапные выбросы угля и метана, обрушения выработок, склонов и бортов карьеров. Определенное внимание в последнее время уделяется воздействиям на земную кору слабых, но долговременных механических вибраций на больших площадях городов, промышленных комплексов (многочисленные насосы, агрегаты, штампы), железных и автомобильных дорог. Оказывается, слабые воздействия могут приводить к "резонансным" явлениям в некоторых элементах земной коры, накоплению упругой и сейсмической энергии, или, наоборот, снятию напряжений. Поэтому необходима такая стратегия строительства наземных и подземных сооружений, добычи минеральных ресурсов и топлива, которая учитывала бы существующую в земной коре геомеханическую обстановку и была бы нацелена на поддержание воспроизводства среды обитания. Достижение этой цели связано с изучением сейсмотектонической и геодинамической обстановки, отражающей энергопотоки, механизмы их диссипации и перераспределения в структурах земной коры, цикличности и периодичности земных процессов и влияния на них техногенных воздействий разного вида и масштаба. Ближайшей целью геомеханических исследований в этом направлении должен быть прогноз и предотвращение указанных выше негативных и катастрофических техногенных явлений.

5. Геомеханические модели земной коры

    Развитие геомеханики земной коры в нашем институте происходит в тесной связи с решением указанных проблем. С этой целью разработан и развивается ряд геомеханических моделей с определенными представлениями о физическом состоянии горной породы в массиве, с различной степенью схематизации процесса и нацеленных на решение конкретных задач. Конечной целью исследований в этом направлении является построение количественной теории деформирования земной коры и слагающих её горных массивов с учетом их неоднородного и блочно-иерархического строения. Ниже представлены развиваемые в настоящее время геомеханические модели.

      5.1. Геомеханическая модель твердого тела со структурой [6, 7, 8].

    Горная порода представлена сплошным твердым телом, содержащим неоднородные включения различного масштаба. Расстояния между неоднородностями каждого размера много больше их собственного размера. Распределение неоднородностей по размеру таково, что тело с неоднородностями остается подобным самому себе при изменении масштаба длины:

    где l – размер неоднородности, n – число неоднородностей в единицу объема.

    При деформировании такого тела наряду с упругими напряжениями в окрестности неодно-родности возникает концентрация напряжений

    где σ_у – упругие напряжения, σ_l – избыточные неупругие напряжения на отдельных неоднородностях.

    Если деформирование тела прекращается, то избыточные напряжения на неоднородностях исчезают. Релаксация напряжений на неоднородностях со временем является единственным механизмом диссипации энергии упругих колебаний. Нарушение целостности тела при разрушении начинается с образования трещин на неоднородностях, в окрестности которых напряже-ния достигают предела прочности материала.
    Напряжения на неоднородностях зависят от скорости деформирования ε& и уравнение для них может быть представлено в следующем виде

    с_t – скорость упругих поперечных волн, ρ – плотность твердого тела, ν – константа, опреде-ляющая скорость релаксации напряжений.

    Главным в этом уравнении является утверждение, что скорость релаксации напряжений на неоднородностях пропорциональна величине напряжений и обратно пропорциональна размеру неоднородности.
    Решение уравнения (3) при постоянной скорости деформации, начиная с момента t=0, имеет вид

    В начальные моменты времени (t<1/ν) напряжения на неоднородностях нарастают со вре-менем по линейному закону

    В дальнейшем рост напряжений замедляется и на неоднородностях каждого размера устанавливается свое избыточное напряжение, пропорциональное их размеру

    где скорость релаксации напряжений ν=2•10^-6 см/с (60 см/год) одинакова для всех горных пород.
    Чем больше размер неоднородности, тем выше избыточное напряжение при заданной скорости деформации. Можно ввести для напряжений на неоднородности предельное значение σ_l=σ*, и получить оценку минимального размера неоднородности l* , в окрестности которой возможно зарождение трещин
    Таким образом, деформационный процесс сам отбирает из всего многообразия неоднородностей механически значимые неоднородности. Для тел, размеры которых соизмеримы с l* или меньше, деформация с постоянной скоростью будет происходить без разрушения материала, т.е. из-за релаксации все возникающие при деформировании напряжения не смогут вырасти до предельной величины. Другими словами, для всякого тела можно подобрать такую низкую скорость деформации, при которой оно разрушаться не будет. При высокой скорости деформации дополнительные неупругие напряжения, складываясь с упругими, приводят к увеличению жесткости твердого тела, а в некоторых случаях и к увеличению эффективной прочности материала, которую обычно истолковывают как динамическую прочность (прочность при динамических испытаниях). Отмеченные выше особенности поведения твердого тела со структурой показывают, в частности, что изучение механических свойств на образцах требует соблюдения, кроме всего прочего, подобия временного хода деформирования, согласованного с размерами твердого тела. Механическое поведение твердого тела в соответствии с предложенной моделью качественно отличается от привычного его описания в инженерной практике. Действительно, как выше было отмечено, структурирование твердого тела с неоднородностями происходит уже на самой начальной стадии деформирования, когда обозначаются механически значимые неоднородности, и, следовательно, у тела в качестве характеристики появляется линейный размер неоднородности, что позволяет отличить его от другого такого же по вещественному составу тела, но подвергнутому деформированию с другой скоростью. Далее, одно и то же по упругим параметрам тело в зависимости от скорости деформации и своего размера может иметь различные необратимые изменения формы при одинаковых небольших напряжениях по сравнению с пределом прочности. Разрушение может начинаться как при нагружении, так и при разгрузке в зависимости от развития процесса во времени.
    Причиной такого нетривиального поведения твердого тела является возникающая в нем при деформировании динамическая структура, которая, опираясь на активные неоднородности, способна запасать механическую энергию и существенно продлевать деформационные процессы в теле при любом фиксированном действии внешних сил после их приложения. С течением времени при постоянной скорости деформирования структурирование приобретает различные формы, обеспечивая подвижность твердой среде. Возникновение блочной структуры в результате нарушения сплошности при больших деформациях придает твердому телу новые качества: одна и та же деформация может осуществляться разными путями, комбинируя перемещение блоков друг относительно друга, и деформацию отдельных блоков с их внутренними неоднородностями. Тело, таким образом, приобретает новые степени свободы и большую подвижность. Блочная среда – это другой крайний случай по отношению к твердому телу с неоднородностями. Диссипативные процессы в такой среде будут определяться в основном явлениями на контактах и межблоковых промежутках, которые и будут в основном определять деформационные свойства среды. Для исследования механического движения в такой среде, как будет показано ниже, нами разрабатываются другие геомеханические модели.
    Предложенная модель твердого тела со структурой оказалась весьма продуктивной при решении целого ряда задач, связанных с формированием диссипативных структур в массивах горных пород в процессе их деформирования.
    Остановимся на некоторых примерах.
     а) Медленные движения горных масс [9].
    Рассматривается деформация твердого тела с очень низкими скоростями, чтобы нигде внут-ри тела не возникали напряжения, превышающие пределы его прочности. Из соотношения (6) следует, что деформация с постоянной скоростью без разрушения возможна только для тел ко-нечного размера, что может быть записано в виде
     где L – размер тела, σ* - предельно допустимое напряжение на неоднородности. Таким образом, существенным является то, что деформация без разрушения будет реализовываться при различной скорости деформации в зависимости от размера тела: для тел малого размера при большей скорости деформации, чем для крупных тел. Такая зависимость механических свойств твердого тела от скорости деформации и его размера является отличительной особенностью твердого тела с неоднородностями. Когда процесс деформирования развивается столь медленно и в таком масштабе, что в его объеме даже на больших неоднородностях избыточные напряжения не достигают разрушающих значений, механические свойства горного массива качественно меняются. В этом случае суммарный объем неоднородностей всех размеров оказывается соизмеримым с объемом тела и, следовательно, отдельные упруго деформируемые элементы тела оказываются разъединенными неоднородностями с релаксирующим напряжением. При таком деформационном режиме упругой составляющей сдвигающего напряжения можно пре-небречь. Необратимая деформация тела под действием напряжений, которые заметно меньше предела прочности, называется крипом. Развитие крипа связано с размером тела и скоростью деформации. Поэтому для медленно деформируемых твердых тел необходимо установить критерии подобия [9]. Распределение не-однородностей по размерам (1) при изменении масштаба остается подобным

     где Q – механическая добротность материала, определяемая через затухание колебаний. Пусть твердое тело имеет толщину L и его границы смещаются друг относительно друга со скоростью v . Тогда формула (6) для напряжения на неоднородностях примет вид

     Из выражения (12) следует, что структура напряженных неоднородностей в телах разного масштаба L будет подобной, если одинаковые напряжения будут на неоднородностях, размеры которых пропорциональны размеру тела l/L=const. При этом скорость смещения граничных поверхностей тела v должна быть одинаковой, не зависящей от величины тела L. Зародыши трещин могут возникнуть на неоднородностях, на которых величина σl достигает предела прочности материала σ*. Обозначим размер такой неоднородности l=l₀. Расстояние L₀ между неоднородностями одного размера l₀ определяется их концентрацией в объеме

     Будем считать, что дезинтеграция тела имеет место, если на меньшем размере его поперечного сечения уменьшается десять трещин L=10L₀. Подставляя принятые отношения в формулу (12), получим

     Прочность горных пород σ* меняется в широких пределах, но отношение σ*/ρс_t² мало отклоняется от значения 10^-3. Добротность в литосфере Земли имеет порядок 10². Тогда из соотношения (14) легко оценить величину скорости v=v*, при которой можно ожидать нарушения сплошности деформируемого тела

     На основании этой оценки можно полагать, что дезинтеграция горных пород будет наблюдаться там, где скорость подвижки граничных поверхностей тела достигает нескольких сантиметров в год. При меньших скоростях подвижки деформация будет осуществляться в режиме крипа. Можно определить средние напряжения сдвига τ на граничных поверхностях тела для предельной скорости их смещения v=v*:

     Обращает на себя внимание очень низкое напряжение сдвига на границе слоя. Столь слабая сопротивляемость твердого тела изменению формы при малых скоростях деформации сближает это тело с вязкой жидкостью.
     Следует отметить ещё одну особенность дезинтеграции твердого тела при медленном деформировании: она стремится локализоваться в узкой зоне. Исходя из изложенных выше представлений, этот эффект следует объяснять не какими-либо энергетическими выгодами, а из чисто кинематических соображений: чем тоньше слой, тем быстрее завершается дезинтеграция, так как в тонком слое выше скорость деформации ε&=v/L.
     б) Режим оползней на горных склонах [10, 11].
     Перенос горных масс по склонам под действием силы тяжести – один из активных рельефообразующих процессов. Экзогенные процессы весьма разнообразны и опасны (сели, лавины, обвалы, оползни и др.). Рассмотрим процесс образования оползня. Этот процесс протекает очень медленно, скрытно и сопровождается дезинтеграцией сплошной среды. Подготовка оползня начинается с формирования границы, отделяющей некоторый объем горной массы от массива. Формирование этой границы связано с локализацией сдвиговой деформации. Вдоль этой границы повышается пористость и проницаемость. В случае насыщения этой зоны водой сопротивление сдвигу резко снижается, что и вызовет оползень. Можно наблюдать склоны, хранящие следы многочисленных оползней, что свидетельствует о регулярности этого процесса. Хотя каждое отдельное событие может быть вызвано землетрясением или изменением водного режима, их нельзя считать причиной возникновения оползней. Причиной оползня является деформационный процесс, развивающийся в массиве вблизи склона под действием силы тяжести. С помощью твердого тела с неоднородностями удается описать деформационный процесс, в результате которого формируется тело оползня.
     Будем полагать, что для дезинтеграции сплошной среды в деформируемом массиве необходимо, чтобы расстояние между трещинами L₀ было заметно меньше размера тела оползня L. Примем для определенности L=10L₀. Исходя из распределения неоднородностей по размеру (13) и выражения для напряжения (6), при котором зарождаются трещины на неоднородности размером L₀, получаем L₀ ≈5l₀. В этих условиях величина скорости сдвижения оползня v*, при которой крип сопровождается дезинтеграцией в теле оползня при скорости релаксации ν=60 см/год, составит

     Принятые числовые значения (σ₁/ρc_t²=10^-3, Q=10²) типичны для горных пород в поверхностных слоях земной коры, так что полученная оценка скорости подвижки может служить критерием дезинтеграции твердой среды. Скорость движения масс на склонах легко измерить, установив соответствующим образом репера. Роль геометрического фактора при формировании оползня выявляется из условия равновесия сил, действующих на отделяемый от массива блок. Из равенства силы тяжести и сил сцепления в основании оползня линейный размер блока составит

     где ρ - плотность горной массы, g – ускорение силы тяжести, α – крутизна склона, τ – напряжение сдвига (16) в слое, где осуществляется подвижка по склону в режиме крипа. Таким образом, размер оползня зависит от крутизны склона и напряжения сдвига в основании оползневого блока. Время подготовки оползневого явления определяется временем дезинтеграции породы в теле блока и по порядку величины может быть оценено по формуле

     где ε* -общая деформация в пределах оползневого блока, необходимая для завершения процесса дезинтеграции. Обычно дезинтеграционный процесс в объеме оползневого блока завершается при средней деформации, измеряемой первыми процентами.
     Сделаем оценку параметров оползневого блока при ρ = 2 г/см³, α=450 в случае, когда нарушения сплошности в объеме тела начинаются при τ=3 кг/см² и величине предельной скорости сдвижения v =3 см/год. Принимая ε*=0,01, получил L=30 м и время подготовки оползня θ=10 лет. С уменьшением крутизны время подготовки увеличивается вместе с размерами блока. При оползне происходит практически мгновенное перемещение массы блока на расстояние, равное его размеру. Если отнести это расстояние к времени подготовки оползня, то получим эффективную скорость массопереноса посредством оползней v_эф.=3 м/год. Как видно на этом примере, эффективная скорость массопереноса в слое толщиной L достигает заметной величины.

    в) Горизонтальные слои нарушений сплошности в земной коре. Движение, при котором могли бы возникнуть горизонтальные слои дезинтегрирования породы в земной коре, должно быть направлено вдоль эквипотенциальной поверхности. Представляется возможным связать этот процесс структурирования с приливными волнами, и с помощью геомеханической модели твердого тела с неоднородностями оценить глубину его раз-вития в земной коре.
    Скорость движения приливных волн по поверхности Земли в средних широтах равна примерно 350 м/с и амплитуда смещения поверхности около 0,5 м. По сравнению со скоростью упругих волн приливная волна движется медленно, так что в целом для Земли деформация ее может быть оценена в квазистатическом приближении, т.е. без учета сил инерции. Однако под действием приливного движения в верхних слоях земной коры будут генерироваться гравитационные волны, которые внесут свой вклад в амплитуду приливной волны. Скорость распространения гравитационных волн в тяжелой жидкости зависит от длины волны, с которой связана и глубина слоя, вовлекаемого движения. Выделим параметры тех гравитационных волн, скорости распространения которых совпадают со скоростью приливной волны. Такое резонансное возбуждение гравитационных волн под действием приливных сил, очевидно, сопровождается получением механической энергии, которая может приводить к структурированию материала земной коры. С этой целью воспользуемся по аналогии с тяжелой жидкостью выражением скорости смещения частиц в гравитационной волне

    где ось х направлена вдоль поверхности, ось z направлена вглубь массива, А – амплитуда, ω=√kg - частота колебаний, g – ускорение силы тяжести, λ=2π/k – длина волны. Скорость распространения гравитационной волны

    Нас интересует гравитационная волна со скоростью с=350 м/с. В соответствии с (21) её дли-на волны λ=300 км, величина 1/к=48 км.
    Оценим глубины, на которых могут развиваться процессы дезинтеграции среды. Бегущая по поверхности волна переносит за один цикл все частицы в направлении движения на величину порядка А/Q, где Q-добротность твердой среды. Так как амплитуда колебаний уменьшается с глубиной, происходит медленное смещение верхних слоев относительно нижних. Вблизи поверхности сдвиговая деформация равна производной по z

    За год совершается 730 циклов, так что скорость деформации и скорость подвижки поверхностного слоя по отношению к слою на глубине Н составят соответственно:

    При медленном движении нарушение сплошности в массиве начинается при скоростях смещения свыше v*=3 см/год. Вклад гравитационной волны в амплитуду приливной волны, видимо, меньше 10% (примем А=2÷5 см). Принимая Q=102, 1/к=48 км, находим Н=4÷10 км.
    Полученная оценка соответствует экспериментальным данным [12, 13] и может свидетельствовать о важной роли приливных волн в структурировании земной коры, образуя в ней, в частности, горизонтальные слои нарушения сплошности.

    г) Гидродинамическая сеть подземного пространства
    Горизонтальные слои дезинтегрированной горной породы и разломы обладают повышенной проницаемостью для флюидов. Эта сеть подземных каналов обеспечивает активное взаимодействие подземных и наземных вод. В отличие от наземной гидросети, где течение воды определяется исключительно гравитационным полем, в подземном структурированном пространстве гравитационные поля не играют определяющей роли в формировании потока подземных вод. Действительно, гравитационные поля, снабжающие энергией деформационные процессы в земной коре, деформируют и перемещают друг относительно друга крупные блоки, периодически изменяя межблоковые промежутки (в среднем плотность среды остается постоянной). При сжатии и расширении промежутков изменяется их пористость и проницаемость, и вместе с тем происходит поглощение или отжим воды. Таким образом, подземная гидросеть снабжена множеством "насосов", перекачивающих воду по своим каналам. Представляется важным, что в этой сети движение жидкости может быть направлено против силы тяжести, обеспечивая обмен воды с наземными водоемами.
    Функционирование гидродинамической сети в этом отношении изучено слабо. Несомненно, только, что движение жидкости в подземном пространстве тесно связано с динамическими структурами земной коры и, очевидно, играет существенную роль в формировании самих структур. Что касается движения жидкости в проницаемых пластах под действием градиента давления, то эта область механики развилась самостоятельно и достаточно хорошо изучена.

    д) Сейсмический режим и геомеханика.
    Успешным оказался опыт использования представлений геомеханической модели твердого тела со структурой в фундаментальных исследованиях сейсмического режима в земной коре [14,15]. Сейсмический режим – это рассеяние механической энергии упругими волнами при формировании блочной структуры в земной коре. Оказывается, что распределение блоков по размерам при разрушении и распределение очагов землетрясений по энергии описываются формулами одинакового вида [6]. Это обстоятельство позволяет отожествить землетрясение с актом образования отдельного блока при формировании структуры. Следовательно, сейсмический режим возможно рассматривать как развитие деформационного процесса в земной коре, а отдельные структуры коры как деформируемые твердые тела с неоднородностями. Отсюда возникает причинно-следственная связь процесса накопления деформаций с концентрацией напряжений на неоднородностях земной коры. Таким образом, перспективы использования рассматриваемой модели в определении параметров сейсмической активности связаны с тем, что рассматривая отдельные структуры земной коры как механический объект и рассчитав их напряженное состояние, возможно будет составить обоснованное заключение о предстоящем землетрясении в тех или иных условиях развития деформационного процесса. В частности, оценка максимально возможного землетрясения, исходя из представлений о структуре твердой среды и пропорциональности энергии землетрясения объему его очага, была сделана в работе [16].

    е) Устойчивость геологической среды к техногенным воздействиям.
    Возможные нарушения механической устойчивости геологической среды при разнообразных техногенных воздействиях обусловлены её сложным структурно-тектоническим и блочно-иерархическим строением со всеми протекающими в ней процессами обмена энергией между блоками разного уровня, а также диссипацией и релаксацией. Геомеханическая модель твердого тела с неоднородностями позволяет решать некоторые задачи по оценке устойчивости геологической среды и размещенных в ней инженерных сооружений в зависимости от структуры, свойств и состояния земной коры. Модель также используется для расчетов устойчивости мас-сивов и подземных сооружений при динамических воздействиях. При этом оценки устойчивости и возможных нарушений проводятся на основе анализа напряженного состояния на существующих неоднородностях, трещинах, разломах и в окрестности выработок.
    В общем случае расчеты избыточных напряжений на неоднородностях при произвольной скорости деформирования проводятся на основе общего решения уравнения (3), которое имеет вид

    где lmin и lmax – размеры минимальной и максимальной неоднородностей, содержащихся в рассматриваемом объеме среды. Из выражения (24) следует, что локальные напряжения на неоднородностях массива зависят не только от приложенных нагрузок, но и от всей истории его деформирования в течение 0‹τ‹t. Величина скорости деформирования ε& определяет размеры возникающей динамической структуры, выбирая из разномасштабных неоднородностей те размеры, концентрация напряжений на которых характеризует механические свойства среды в конкретном процессе деформирования. Таким образом, среда "выбирает" собственную реакцию на внешнее воздействие, и свойства такой среды зависят от процесса деформирования. При деформировании проявляется не весь непрерывный набор неоднородностей, но лишь неоднородности определенного масштаба. При сложном нагружении это может быть некоторый диапазон размеров, непрерывный или дискретный, причем для разных областей массива он различен и изменяется в процессе деформирования [17]. На основе общего решения (24) были разработаны алгоритмы расчета и проведено математическое моделирование поведения природных объектов со структурой и "памятью" в ряде конкретных условий. Так, был исследован процесс концентрации локальных сдвиговых напряжений в плоскости разлома за 10-летний период вплоть до нарушения его равновесного существования, вызванного постепенным изъятием горной массы [18]. Был проведен анализ изменения напряженного состояния массива при нагружении его подземным взрывом рыхления [19]. Изучено изменение напряженного состояния массива и поведение неоднородностей в процессе проходки выработки [20].
    Для решения задач прикладной геомеханики, связанных с возникновением дифференциальных движений блоковых структур по системам нарушений сплошности в виде тектонических разломов и трещин разного масштаба, зон дробления, литологических контактов и т.д., необхо-димо использовать модели земной коры с учетом её блочно-иерархического строения. Особенности деформирования геологической среды в этих случаях определяются тем, что указанные межблоковые промежутки имеют обычно значительно более низкие прочностные и деформационные характеристики. Поэтому такая среда может испытывать большие деформации без значительных разрушений блоков. Важно отметить, что в результате преимущественного развития межблоковых деформаций существенно изменяются фильтрационные свойства массива за счет увеличения проницаемости межблоковых границ, определяя тем самым вероятные пути миграции жидкости и газа.
    Подобные эффекты необходимо учитывать при расчетах механической устойчивости горных массивов при организации хранения ядерного топлива, безопасного захоронения ядерных отходов и отработавших элементов ядерного энергетического оборудования, а также при под-земном размещении ядерных реакторов АЭС [21]. В особенности сильно эффекты, связанные с дифференциальными движениями блоков земной коры, проявляют себя при крупномасштабных взрывах и землетрясениях [22, 23]. Имеются многочисленные свидетельства остаточных смещений на свободной поверхности, возникших в результате относительных смещений берегов разломов, поворотов отдельных блоков, образования сбросов и надвигов. Тектонические разломы и блочная структура земной коры оказывают существенное влияние на сейсмический эффект взрывов и определяют асимметрию излучения сейсмических волн [24]. Только с учетом движения блоков земной коры было объяснено появление необратимых деформаций, наблюдаемых на значительных эпицентральных расстояниях [22]. Некоторые подходы к разработке геомеханических моделей земной коры блочного строения изложены ниже.

     5.2. Геомеханическая модель деформирования иерархически структурированной геологической среды с учетом дифференциальных движений и стесненных поворотов [25, 26].

    Реальная геологическая среда представлена в виде совокупности иерархических соподчиненных структурных элементов (блоков), разделенных тектоническими нарушениями разного масштабного уровня. При этом геологическая среда на каждом иерархическом уровне может быть представлена в виде совокупности перемежающихся участков, характеризующихся различными физико-механическими свойствами. Блочное строение реальной геологической среды определяет существенно неоднородный характер её деформирования при внешних воздействиях, которое осуществляется преимущественно по зонам ослабления прочности и тектоническим нарушениям. По мере нарастания деформации выделены следующие этапы деформирования структурно неоднородной среды.
    Первый этап – обратимое формирование структурных боков, второй этап – необратимое согласованное формоизменение структурных блоков (без нарушения сплошности, но при наличии локальных участков пластической деформации), третий этап – несогласованное формоизменение структурных блоков, которое сопровождается нарушениями сплошности среды. Деформирование на втором этапе характеризуется тензором локальной деформации

    где ε⁰ и ε* - соответственно упругая и пластическая составляющие, и тензором средней деформации по объему i-го участка среды

    Вводя в рассмотрение флуктуации упругих и пластических деформаций на фоне средних по объему

    условие сплошности деформируемого блока можно представить в виде

    Соответственно для тензоров напряжений

    Остаточные напряжения (при σ_v → 0)

    По этой модели в условиях второго этапа деформирования была проведена оценка остаточ-ного напряженного состояния в земной коре под воздействием лунных приливов. Расчет пока-зал, что за один цикл воздействия возникает избыточное напряжение Δσ≈50 Па, за год Δσ≈50 кПа, за 1000 лет Δσ≈50 Мпа.
    На третьем этапе деформирования по описываемой модели блочно-иерархической среды из-за появлений нарушений сплошности среды возникают повороты структурных блоков любого ранга определяемые условиями деформирования и масштабом нагружения. Поле макропере-мещений в среде, возникающих в результате поворота жесткого блока, можно представить в виде

     где ω_i-1 – поле поворотов блоков более высокого ранга. Представим внешнее возмущение в виде квазигармонической волны конечной длительности τ

    получим выражение для поля стесненных поворотов

    и для остаточного поворота (при t→τ) i-го блока

     Формула (34) позволяет установить величину стесненного поворота грани конкретного блока, если известны его размеры и, наоборот, по измерениям угла поворота блоков определить его линейные размеры. Расчеты поворота блоков по соотношениям (31-34) оказались в соответствии с результатами инструментальных измерений углов поворота на стенке штолен и относительных смещений соседних блоков в приповерхностных структурах земной коры после воздействия крупномасштабных взрывов [27]. Размеры блоков были определены из материалов геологотектонического описания массивов. Представленная геомеханическая модель может оказаться полезной также при изучении движения блоков земной коры в условиях стесненных поворотов совместно с использованием современных методов геодинамики. Представляется также, что математический аппарат, развиваемый в рамках этой модели, может быть использован в структурной геологии при исследовании тектонических подвижек коры платформ.


     5.3. Лабораторная физическая модель образования основных структур твердой оболочки Земли [28].

    Разработана общая модель деформирования внешней твердой оболочки Земли и механизмов формирования её основных структур. В основу модели заложены представления о том, что процесс развития Земли заключается в охлаждении её с поверхности при одновременном разогревании внутреннего объема. Этот процесс превратил Землю в природную "конструкцию", состоящую из двух основных элементов: внешней твердой оболочки, толщина которой со временем увеличивается, и внутренней мезосферы, представленной разогревающимся и расширяющимся веществом. На современном этапе развития Земли глобальным проявлением двухслойности оболочки является наличие литосферы (внешней слой) и астеносферы (нижний слой).
    Исследования поведения динамопары "литосфера-астеносфера" проводились методом физического моделирования на плоских и сферических двухслойных конструкциях, в которых при деформировании нижнего слоя исследуются закономерности разрушения верхнего слоя в зависимости от толщины этого слоя, его физико-механических свойств и предварительного напряженного состояния. Процесс разрушения внешнего слоя заканчивается формированием характерной блочной структуры, при последующем деформировании которой в условиях расширения и сжатия можно наблюдать формирование различного рода планетарных структур: складчатых горных систем, синклинальных и антисинклинальных складок, разрывных зон и т.п.
    В ходе исследования принятой модели получен ряд интересных результатов: а) Охлаждение Земли с поверхности и образование твердой оболочки сопровождается стремлением её вещества сократить свой объем. В связи с этим во внутренней мезосфере повышается давление, под действием которого происходит растяжение затвердевшей оболочки и её разрушение отдельными трещинами и образование блочных структур. б) Взаимодействие внутренней мезосферы и внешней оболочки создает циклический режим развития Земли как конструкции в целом и отдельных её регионов. в) Режим взаимодействия расширяющегося внутреннего вещества мезосферы с внешней оболочкой определяет тектоническую активность твердой оболочки, создает в ней глобальные и региональные структуры, генерирует напряженное состояние, вызывает новейшие движения и сейсмичность. г) Помимо глобальной динамопары "литосфера-астеносфера" во внешнем слое присутствует множество аналогичных пар слоев регионального масштаба. Развитие динамопар разного масштаба определяет в основном тектоническую активность земной коры. Одновременно с развитием динамопар действует избыточное давление.
    Более подробный анализ результатов, полученных на данной физической модели, опубликован в работах [29-32].

     5.4. Геомеханическая модель деформирования блочного массива с учетом нормальной и сдвиговой жесткости межблоковых промежутков [33].

    Модель нацелена на изучение влияния блокового строения участков земной коры различного масштаба, на их деформационные свойства. Построение модели начинается с разработки структурной модели на основе известных данных о геоморфологии, о геологическом и тектоническом строении участка с привлечением геофизической информации о сейсмическом просвечивании и скоростных параметрах массива. Важной составной частью модели является выяснение положения межблоковых промежутков и оценка их механических характеристик, поскольку именно эти нарушения сплошности определяют в первую очередь деформационные свойства массива в целом. В качестве таких механических характеристик межблоковых промежутков в модели выступают величины их касательной и нормальной жесткости, которые являются коэффициентами пропорциональности между приращениями силовых и деформационных характеристик. Обычно модель при таком подходе строится для какого-либо конкретного участия земной коры с целью решения конкретных задач, возникающих при проектировании, строительстве и эксплуатации наземных и подземных сооружений, ведении горных работ, в задачах геоэкологии, сейсмологии и т.д.
    Обычно для определения местоположения межблоковых промежутков, их класса и механических свойств заполнителя проводят исследования закономерностей взаимодействия сейсмических волн с этими промежутками, а также применяются прямые методы измерения деформационных свойств инструментальными методами. Характеристику деформационных свойств крупных трещин и разломов удается получить с помощью сейсмического метода диагностики, основанного на анализе изменения амплитуды сейсмической волны при прохождении структурного нарушения [34]. Оценка величин нормальной k_n=dσ_n/dW_n и сдвиговой k_t=dτ/dW_t жесткости, где σ_n и τ – нормальные и сдвиговые напряжения, а W_n и W_t – нормальное сдвиговое перемещение берегов нарушения, проводится по приближенным соотношениям:

    где T - период сейсмической волны, ρ – плотность породы, c_p и c_t скорости продольных и поперечных волн, K=V₁/V₂ – отношение амплитуд скоростей смещения до и после нарушения. С помощью описанного метода диагностики были определены значения нормальной и сдвиговой жесткости нарушений сплошности земной коры различных типов с характерными длинами от первых метров до десяти километров. Было установлено, что обнаруженные нелинейные свойства деформационных характеристик присущи не только маломасштабным природным нарушениям, но и закономерностям деформирования крупных межблоковых границ. Показано, что для скального массива, содержащего структурные нарушения, зависимость напряжение-деформация нелинейна вплоть до уровня деформации ε~10^-10 [35].
    С использованием разработанной методики были построены и проанализированы блочно-структурные модели ряда геофизических объектов различного масштаба. Анализ построенных блочных моделей показал явную приуроченность геодинамических процессов природного и техногенного характера, а также закономерности размещения месторождений полезных ископаемых к межблоковым границам. Был выполнен также анализ структурных моделей нескольких районов Русской платформы и Уральской складчатой системы. На основе этого анализа сделано заключение о высокой вероятности приуроченности участков повреждения магистральных нефтегазопроводов к зонам тектонических узлов, которые сформированы пересечением активных разломов.

     5.5. Структурно-динамическая модель взаимодействия приповерхностных геологических структур и глубинных неоднородностей коры и верхней мантии.

    Разрабатывается сейсмотектоническая или геодинамическая модель, основанная на идее динамического взаимодействия орогена и платформы как единой системы, развивающейся в пространстве и во времени [36]. Глубинные динамические системы, по существу, представляют активные объемы литосферы и верхней мантии, определяющие в течение геологического времени масштаб, энергию и направленность тектонических процессов. Очевидно, что динамика мантии определяет движение плит, а литосферу можно рассматривать как верхнюю термическую покрышку конвектирующей мантии. Менее очевидны, однако, масштабы областей, участвующих в конвекции, роль литосферы в определении схем конвекции, пространственное распределение напряжений и деформации, следовательно, механизмы деформации земной коры, обуславливающий её расслоенность, дискретность и структурно-вещественную неоднородность. Деформация механически жесткой оболочки Земли – литосферы, вызванная взаимодействием плит, концентрируется на их границах. Для нижележащей астеносферы характерны пониженные скорости поперечных волн, что обычно связывается с большей подвижностью этого слоя мантии, содержащего, возможно, частично расплавленные породы. Предполагается, что развиваемая модель на основе новых данных о глобальной и региональной сейсмотомографии и представлений плюмтектоники рассмотрит взаимодействие системы "литосфера-астеносфера" и ее влияние на образование литосферной геоблоковой делимости. Модель наце-лена на решение принципиальных вопросов геологии и геофизики:

• структурная самоорганизация глубинных динамических систем,
• причины существования глубинных неоднородностей и их развитие во времени,
• активные объемы среды и их взаимодействие,
• ответственны ли смещения литосферных плит за поля напряжений в земной коре или они кон-тролируют только напряжения на границах плит?
• являются ли различия в масштабах структур литосферы свидетельством различных процессов деформации?
• нелинейные геофизические и геотектонические процессы в земной коре и верхней мантии,
• взаимодействие и динамика глубинных геосфер.

    Указанные направления исследований в рамках данной модели являются существенной составной частью изучения динамических процессов и энергетических потоков в системе взаимодействующих внутренних и внешних геосфер [37].

     5.6. Геомеханическая модель движения блочной среды с аномально низким внутренним трением.

    Геомеханические явления с низким внутренним трением (гравитационной коллапс метеоритных кратеров, дальнопробежные каменные лавины, обрушения вулканических построек, оползни на шельфах и др.) представляют слабо исследованный раздел механики деформируемого твердого тела. Для описания и расчетов этих явлений разработана математическая компьютерная модель [38]. При разработке модели учтена специфика этих явлений, состоящая в том, что приходится вводить зависимость угла внутреннего трения от геометрических размеров явления (объем лавины, диаметр кратера и т.п.). При увеличении размеров явления угол внутреннего трения падает и может достигать 5⁰-10⁰, что не соответствует статическому углу внутреннего трения какой-либо из известных скальных пород. Помимо зависимости от геометрических параметров важно отметить, что эти явления существенно динамические и сопровождаются высокими скоростями деформаций. Поэтому в модель, описывающую движение разрушенной среды с высокими скоростями, введена зависимость сдвиговых напряжений, отвечающих за диссипацию энергии, от интенсивности скоростей сдвиговых деформаций ε&, пропорциональных второму инварианту девиатора скорости деформации. Конечно, сдвиговые напряжения должны еще зависеть от давления, однако оценки показали, что их зависимость от скорости деформации является определяющей. Не принимается в расчет также зависимость от деформации и, следовательно, сжимаемости среды. В результате движение описывается неньютоновской несжимаемой жидкостью со степенной зависимостью вязкости от величины ε&. Эта зависимость установлена из сравнения с натурными данными по движению крупных лавин и морфологии метеоритных кратеров.
    Расчеты показали, что модель движения блочной среды с аномально низким внутренним трением хорошо отражает явления, наблюдаемые в природных лавинах большого объема и при гравитационном коллапсе ударных кратеров: объемный эффект, сохранения стратиграфии в отложениях, толщину слоя высоких скоростей деформации, зависимость скорости распространения фронта лавины от времени и т.д. Данная модель была успешно использована для оценки возможных объемов обрушения и дальности распространения каменных лавин Ключевского и Корякского вулканов, расположенных около г.Петропавловск-Камчатский [39, 40].

6. Заключение

     6.1. Сформулированы основные проблемы и направления исследований геомеханики земной коры:

• изучение современных движений и развития деформационных процессов в земной коре, в том числе медленных движений, сопровождающихся накоплением деформаций и концентрацией напряжений на неоднородностях;
• взаимодействие с земной корой потоков энергии, поступающих в нее за счет рассеяния гравитационной, кинетической и тепловой энергии планеты;
• изучение механизмов возникновения и преобразования блочной структуры и функционального назначения иерархических структур земной коры;
• изучение механизмов формирования и релаксации тектонических напряжений в неоднород-ной блочной среде на разных масштабных уровнях;
• влияние техногенных воздействий на геодинамическое состояние и устойчивость структур земной коры (задачи освоения подземного пространства, техногенная сейсмичность, горные удары, внезапные выбросы, необратимые деформации при строительстве, обрушения выработок и откосов, провалы и т.п.);
• разработка геомеханических моделей, нацеленных на построение количественной теории деформирования земной коры и слагающих её горных массивов с учетом их неоднородного и блочно-иерархического строения.
  

     6.2. История развития геомеханики – поэтапная разработка аналитического аппарата для расчетов напряженно-деформированного состояния твердой среды в условиях различных физических представлений о среде: от континуальных моделей до моделей твердого тела с неоднородностями и блочно-иерархической структурой. В результате в настоящее время геомеханика обладает хорошо развитым математическим аппаратом, способным решать сформулированные выше задачи геодинамики, сейсмотектоники, структурной и глубинной геологии, горного дела.

     6.3. Представлены некоторые результаты исследований проблем геомеханики:

• непрерывный поток энергии формирует в земной коре динамические блочные структуры, являющиеся результатом развития деформационных процессов, сопровождающихся трещинообразованием, разрушением и разломообразованием;
• основной вклад в механическое движение структур земной коры вносят силы инерции и гравитации;
• динамические структуры земной коры самоподобны на разных масштабных уровнях и организуют её блочно-иерархическое строение; функциональное назначение этих иерархических структур – перерабатывать поступающую извне энергию, распределяя её потоки от крупных структур к мелким; при этом энергия расходуется на движение самих структур и диссипирует в зонах контактов, межблоковых промежутков и на разломах;
• в результате развития деформационных процессов в земной коре возникает напряженное состояние, в том числе и тектонические напряжения;
• неоднородное и блочно-иерархическое строение земной коры определяет сложную структуру её напряженного состояния, его анизотропию, неоднородность и изменчивость во времени; выделяется существенный вклад тектонических движений в горизонтальную компоненту поля напряжений;
• для напряженно-деформированного состояния земной коры характерен масштабный эффект, выраженный в иерархии блоков и структур (от тыс. км до см) и иерархии полей тектонических напряжений;
• наряду с напряженно-деформированным состоянием среды, деформационные свойства межблоковых промежутков (разломы разных иерархических уровней, системы трещин, незалеченные контакты и т.д.) определяют несущие свойства массивов и их устойчивость при внешних воздействиях;
• показана существенная роль приливных воздействий в генерации напряженного состояния и развитии тектонической расслоенности земной коры;
• на основе представлений о развитии медленных движений под действием силы тяжести выявлены условия развития склоновых процессов и образования крупных оползней и лавин;
• показана связь сейсмического режима с развитием деформационного процесса и возникающей при разрушении блочной структурой; опираясь на эту связь и используя установленное в модели твердого тела с неоднородностями соотношение между параметрами деформационного режима и параметрами блочной структуры, продемонстрирована возможность расчета максимального землетрясения в сейсмоактивном регионе с известными размерами очагов.
  

    6.4. Развитие фундаментальных основ геомеханики и геомеханических моделей способствует решению прикладных задач, возникающих при освоении подземного пространства и горного дела: долговременная устойчивость ответственных сооружений, предупреждения катастрофических явлений при добыче минеральных ресурсов, разрушение горных пород, обрушение склонов, обеспечение безопасности работ и др.

Литература

1. Науки о Земле. Состояние, приоритетные направления развития. // Под ред В.А.Жарикова. -М.: ИПКОН РАН, 1996, 213 с.

2. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. // Под ред. К.Н.Трубецкого.-М.: Изд. Академии горных наук, 1997, 478 с.

3.Садовский М.А. О распределении размеров твердых отдельностей // ДАН, 1983, т.269, №1.

4.Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. // М., Наука, 1987, 196 с.

5.Адушкин В.В., Цветков В.М. Напряженное состояние и его связь со структурой горного массива // Физические процессы в геосферах при сильных возмущениях. М., ИДГ РАН, 1996.

5.Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. // М., Недра, 1986, 301 с.

6.Родионов В.Н. Очерк геомеханики. // М., Научный мир, 1996, 64 с.

7.Адушкин В.В., Родионов В.Н. Геомеханика блочных сред. // Проблемы нелинейной геомеханики, С-Пб., ВНИМИ, 1998.

8.Садовский М.А., Родионов В.Н., Сизов И.А. Критерии подобия и дезинтеграции медленно деформируемых твердых тел. // ДАН, 1995, т.341, № 5.

9.Адушкин В.В., Родионов В.Н. О режиме оползней на горных склонах. // Динамические процессы в геосферах, М., ИДГ РАН, 1994.

10.Адушкин В.В., Родионов В.Н., Щербаков С.Г. О механизме самопроизвольного возникновения каменных лавин на горных склонах. // ДАН, 2000, т.373, № 6.

11.Леонов Ю.Г. Платформенная тектоника в свете представлений о тектонической расслоенности земной коры. // Геотектоника, 1991, № 6.

12.Суворов А.И. Тектоническая расслоенность и тектонические движения в континентальной литосфере. // Геотектоника, 2000, № 6.

13.Садовский М.А., Писаренко В.Ф., Родионов В.Н. От сейсмологии к геомеханике. О модели геофизической среды // Вестник АН СССР, 1983, №1.

14.Родионов В.Н. Сейсмический режим и блочное строение земной коры. // Геоэкология, 1994, № 3.

15.Родионов В.Н. Максимальное землетрясение как характеристика сейсмического режима. // Землетрясения Средней Азии и Казахстана, Душанбе, Донихе, 1984.

16.Сырников Н.М., Родионов В.Н. О напряженном состоянии структурно неоднородного горного массива в окрестности подземных сооружений. //ФТПРПИ, 1996, № 6.

17.Сырников Н.М., Сизов И.А. Диссипативные процессы в горном массиве и проблема освоения подземного пространства. // Труды Х Междунар. конф. по механике горных пород, М., ИГД им. Массива Скочинского, 1994.

18.Сырников Н.М., Кондратьев С.В. О нарушении устойчивости структурно неоднородного горного массива при техногенных воздействиях. // ФТПРПИ, 1997, № 5.

19.Сизов И.А. О напряжениях вокруг вновь образованной полости в твердой среде с неоднородностями. // ФТПРПИ, 1985, № 2.

20.Адушкин В.В., Спивак А.А. Контроль механической устойчивости массивов скальных пород при строительстве и эксплуатации подземных захоронений РАО и подземных АЭС // Энер-гетическое строительство, 1993, №5.

21.Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. М., Недра, 1993, 319 с.

22.Эйби Д.А. Землетрясения // М., Недра, 1982, 264 с.

23.Адушкин В.В., Спивак А.А., Куликов В.И. Влияние структурно-тектонического строения геофизической среды на сейсмические эффекты подземного ядерного взрыва // Физика Земли, 1993, №12.

24.Адушкин В.В., Спивак А.А. Дифференциальные движения в массивах горных пород блочной структуры. // Проблемы современной геомеханики, С-Пб., ВНИМИ, 1998.

25.Спивак А.А. Дифференциальные движения блочных структур при внешних воздействиях. // Геоэкология, 1999, № 1.

26.Адушкин В.В., Спивак А.А. Особенности деформирования блочной среды при взрыве. //ФТПРПИ, 1990, № 2.

27.Пономарев В.С., Ромашов А.Н., Сухотин А.П., Цыганков С.С. Особенности разрушения двухслойных моделей при моделировании геологических процессов. // Геология и геофизи-ка, 1995, т.36, № 4.

28.Ромашов А.Н., Цыганков С.С. В поисках обобщающей геотектонической концепции. // Гео-тектоника, 1996, № 4.

29.Ромашов А.Н. Общая модель развития тектоносферы. // Вестник ОГГГГН РАН, 2000, № 1.

30.Ромашов А.Н. О необходимости обобщающей тектонической концепции. // Вестник ОГГГГН РАН, 2000, № 2.

31.Ромашов А.Н. О природе тектонической расслоенности литосферы. // Вестник ОГГГГН РАН, № 3.

32.Кочарян Г.Г., Бенедик А.А., Костюченко В.Н., Кулюкин А.М., Павлов Д.В. Создание геомеханических моделей геофизических объектов. // Физические процессы в геосферах при сильных возмущениях, М., ИДГ РАН, 1996.

33.Кочарян Г.Г., Лившиц Л.Д., Павлов Д.В., Перник Л.М. Исследование деформационных свойств и проницаемости зон нарушений сплошности скальных массивов. // Геоэкология, 2001, № 1.

34.Адушкин В.В., Костюченко В.Н., Кочарян Г.Г., Павлов Д.В. О нелинейном характере деформирования массивов горных пород при прохождении сейсмических волн малой амплитуды. // ДАН, 1999, т.368, № 1.

35.Щукин Ю.К. Региональные исследования и актуальные проблемы глубинной геологии. // Геофизика, 2001, № 1.

36.Адушкин В.В., Щукин Ю.К. Динамические процессы во взаимодействующих геосферах. // Физические процессы в геосферах: их проявления и взаимодействие, М., ИДГ РАН, 1999.

37.Потапов А.В. Численное моделирование нестационарных геомеханических процессов с низким внутренним трением. // Канд. диссерт., М., ИДГ РАН, 1991.

38.Адушкин В.В., Зыков Ю.Н., Федотов С.А. Механизм разрушения вулканической постройки вследствие потери устойчивости и оценка размеров возможного обрушения Ключевского вулкана // Вулканология и сейсмология, 1994, №6.

39.Адушкин В.В., Зыков Ю.Н., Иванов Б.А. Численное моделирование лавинообразного обрушения вулкана Корякский // Вулканология и сейсмология, 1995, №6.

Сведения об авторе:

    Адушкин Виталий Васильевич – доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, директор Института динамики геосфер РАН, лауреат премий СМ СССР (1989 г.) и Правительства РФ (1996 г.). Окончил факультет теоретической и экспериментальной физики Московского инженерно-физического института (1956 г.) Работал в Спецсекторе Института химической физики АН СССР (1963 г.) и института физики Земли АН СССР (1991 г.). Является членом бюро ОГГГГН РАН, председателем Научного Совета по проблемам народно-хозяйственного использования взрыва РАН и АГН, заведующий кафедрой "Геофизика сильных воздействий" Московского физико-технического института. Область научных интересов: геофизика, геомеханика, физика взрыва и сейсмология. Результаты исследований опубликованы в 250 научных статьях и 6 монографиях.
    Тел (095) 137-66-11
    Факс (095) 137 65 11
    E-mail: adushkin@idg.chph.ras.ru

---

Другие источники

1. Книга в формате PDF (Adobe Acrobat Document). Размер - 450 Кбайт.
   
2. ОЧЕРК ГЕОМЕХАНИКИ
   
3. сибГИУ - научные достижения

---

ИЗДАНИЯ КАФЕДРЫ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ

1. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по курсу “Управление состоянием породного массива” (раздел “Подготавливающие и подготовительные выработки”) для студентов специальностей 7.090301 всех форм обучения. / Сост.: Н.Н.Гавриш, В.И.Пилюгин. – Донецк: ДонГТУ, 2001, - 102 с.
   
   
2. Методические указания к практическим, лабораторным и самостоятельным работам по дисциплинам «Разработка месторождений полезных ископаемых» и «Технология разработки» (для студентов специальностей 6.090315-М и 6.090301.00 – РПМГ) /Сост.: Гавриш Н.Н. – ДонНТУ, 2005. – 57 с.

---

Главная страница:     [Чепуренко П.В.]     [Чепуренко А.В.]

---

Реферат | Ссылки | Отчет о поиске

---

ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ