Хамидов Лутфулла Абдуллаевич количественные модели концентрации напряжений в зонах сейсмоактивных разломов земной коры 04. 00. 22 Геофизика автореферат
| Вид материала | Автореферат |
- А. А. Трофимука Приоритетное направление со ран геофизика, геодинамика Физические поля, 208.47kb.
- Самостоятельная работа 46 Вид итогового контроля Экзамен, 118.98kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине типы загрязнений окружающей среды, 339.18kb.
- Структура разломных зон земной коры по данным радоновой съемки (на примере Западного, 290.04kb.
- Н. Г. Чернышевского рабочая программа, 145.62kb.
- Н. И. Николаев глава XX комплексное изучение молодых движений земной коры, 442.36kb.
- Физико-геологические модели сейсмогенерирующих неоднородностей земной коры среднего, 249.76kb.
- Краткое содержание курса, 84.97kb.
- Урок на тему : «Строение земной коры. Горные породы и минералы», 153.61kb.
- Практическая работа №3. Тема: Объяснение зависимости расположения крупных форм рельефа, 31.81kb.
академия наук республики узбекистан
институт сейсмологии им.Г.А.МАВЛЯНОВА
На правах рукописи
УДК 550.8.053:519.2+551.24.035(575.1)
Хамидов Лутфулла Абдуллаевич
количественные модели концентрации напряжений в зонах сейсмоактивных
разломов земной коры
04.00.22 - Геофизика
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
Ташкент - 2009
Работы выполнена в Институте сейсмологии им. Г.А.Мавлянова Академии наук Республики Узбекистан.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор
Артиков Турдиали Усаманалиевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
Аронов Аркадий Гесселевич
доктор физико-математических наук
Ходжиметов Алиназар Ирисметович
доктор физико-математических наук
Ибрагимов Роман Соломонович
Ведущая организация: Бакинский Государственный Университет,
Защита состоится 2 декабря 2009г. в 14.00 на заседании Специализированного совета Д 015.07.01 при Институте сейсмологии им. Г.А.Мавлянова АН РУз по адресу: 100128, Ташкент, ул.Зульфияхоним, 3.
Т.: (99971)- 241-51-71, факс.(99871)- 241-75-31
e-mail: hamidov_l@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сейсмологии им.Г.А.Мавлянова АН РУз.
Автореферат разослан « 28 » октября 2009 г.
Ученый секретарь Специализированного совета
докт.физ.-мат.наук Ф.Ф.Зияудинов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Работа посвящена разработке количественных моделей концентрации напряжений вблизи сейсмогенных разрывов, исследованию на основе геолого-геофизических данных напряжений в зоне сейсмоактивных разломов Узбекистана, построению численных моделей оценки напряженно-деформированного состояния земной коры.
Актуальность работы. Вопросы о связи напряженно-деформированного состояния сейсмоактивных разломов с особенностями глубинного строения земной коры, составом, податливостью и другими характеристиками среды до сих пор находятся за пределами серьезного научного обсуждения. Можно назвать ряд причин, сдерживающих эти исследования: ограниченность возможностей математического моделирования, недостаточные объемы геолого-геофизической информации, отсутствие целенаправленных полевых работ и др.
То, что геологическую среду и ее современное физическое состояние следует рассматривать как геодинамическую систему, развивающуюся в пространстве и во времени, для изучения которой землетрясения являются основным индикатором, можно считать уже общепринятым положением. В связи с этим сейсмогенный тектонический разлом и очаг землетрясения, приуроченный к нему, в проведенных за последние годы теоретических и прикладных исследованиях рассматривались как разобщение структуры и разупрочнение блоков земной коры, способствующие восстановлению динамического равновесия, нарушенного вследствие интенсивных современных глубинных процессов.
Такое представление позволяет по-новому подойти к трехмерному анализу сопоставления сейсмологических и геологических аспектов. Так как на основе этих процессов изменяются силовые поля земной коры, то актуальна количественная оценка концентрации напряжений в зонах сейсмоактивных разломов. Исследования, представленные в данной работе, можно назвать шагом первого приближения к составлению количественных основ оценки напряженно-деформированного состояния сейсмогенных разрывных нарушений на базе математического моделирования сейсмотектонического процесса.
Степень изученности проблемы. Поля сейсмотектонических напряжений в сейсмогенных структурах земной коры тесно связаны с процессами подготовки тектонических землетрясений. В большинстве случаев тектонические землетрясения - прямое следствие неотектонических движений. Изучению геофизических силовых полей и современных движений Центральной Азии, особенно в периоды, предшествующие землетрясениям, посвящены исследования многих ученых, наиболее полный обзор которых дан в работах М.В.Гзовского, Е.В.Артюшкова, В.В.Белоусова, О.А.Вотаха, Ю.А.Косыгина, В.Е.Хаина, А.В.Введенской, Е.И.Шемякина, С.И.Шермана, П.Н.Николаева, Ж.С.Ержанова, Т.П.Белоусова, Л.В.Никитина, Ш.А.Мухамедиева, С.Ж.Слепяна, И.П.Добровольского и др.
Построением полей общих напряжений, изучением интенсивности движении вдоль сейсмоактивных разломов в современную эпоху, оценкой уровня изменения максимального главного напряжения и построением глобальных карт напряжений в разные годы занимались Griffith A.A., Inglis C.E., Aki, K., Liy M.C., Rice J.R., Dambara T., Zobak M.D., Stephenson R.A., Cloetingh S., Kirbe St.H., Нiaro Е., Lin J.F., Catabell A.J., Heinz D.L., Shen С., Scheidegger A.E., Stuart W.D., Tutuncu A.N., Hamiel У., Lyakhovsky V., Agnon А., Brady B.T., Mogy K., Schultz R.A., Hudson J.A., Bott M.,Kushnir N., Funagalli E.U., . Matsuda T.Y.,Mc.Garr A.,Gao N.C., Ethoridge M.A., Yamashita T., Knopoff L. A., Brune J.N., Eshelby J.D., Chinnery M.A., Vajdova V. и др.
Геофизические, геомеханические и геотектонические силовые поля для решения различных задач геофизики и геодинамики в Узбекистане в разные годы изучали К.Н.Абдуллабеков, Т.Н.Далимов, В.И.Троицкий, В.И.Уломов, С.Х.Максудов, Ф.Х.Зуннунов, Р.Н.Ибрагимов, А.Р.Ярмухамедов, Ш.Д.Фатхуллаев, М.К.Турапов, Т.У.Артиков, И.У.Атабеков, Я.У.Саатов. Л.М.Плотникова, Б.С.Нуртаев, А.С.Быковцев, А.И.Ходжиметов, М.Ф.Иноятов, Р.А.Умурзаков и др.
Модели земной коры и литосферы Тянь-Шаня и Памира с различными фундаментальными и прикладными целями и на основе геологических, геофизических, сейсмологических, сейсмотектонических, геодинамических и геостатистических материалов были обоснованы в работах Г.А.Мавлянова, И.Х.Хамрабаева, В.И.Уломова, О.М.Борисова, Д.Х.Якубова, Ф.А.Усманова, В.И.Троицкого, Р.Н.Ибрагимова, Х.А.Абдуллаева, Ф.Х.Зуннунова, А.Р.Ярмухамедова, К.Н.Абдуллабекова, Л.М.Плотниковой, С.Х.Максудова, И.У.Атабекова, О.П.Мордвинцева, В.А.Пака, Б.С.Нуртаева и др.
Методологию реконструкции полей напряжений на основе анализа тектонической трещиноватости и геолого-геофизического изучения напряжений в четвертичных отложениях разрабатывали Ш.А.Мухамедиев, А.Н.Галыбин, С.Л.Юнга, В.Д.Парфенов, П.Г.Дядьков, В.С.Имаев, Ш.Д.Фатхуллаев, М.К.Турапов, А.И.Ходжиметов, Р.А.Умурзаков, М.Ш.Шерматов, К.Ф.Иноятов и др. Они обосновали возможность изучения полей напряжений земной коры геолого-структурными методами, разработки методик необходимых научных средств для постановки таких задач.
Анализируя литературные источники, можно оценить состояние проблемы геофизики по выявлению концентрации напряжений в сейсмогенных разломах земной коры. Они практически разделились на две части, прикладную и теоретическую. Если первая часть работ, в которых проводится реконструкция общих полей напряжений, на практике уже дает возможность построения векторной картины распределения внутренних усилий в земной коре, для второй части необходима формализация геомеханического процесса концентрации напряжений в сейсмоактивных разломах, и она еще не достигла того математического уровня, при котором можно было бы с различной точностью строить количественные картины и поля распределения внутренних усилий. Для территории Узбекистана остается нераскрытым характер количественного изменения напряженно-деформированного состояния земной коры при наличии сейсмогенных разломов и высокочастотных релаксациях напряжений. Эти оценки важны при оперативном количественном анализе аномальных изменений геофизических, деформационных, гидрогеосейсмологических и других полей в ближней зоне ожидаемых очагов тектонических землетрясений и для оптимизации системы сейсмопрогностических наблюдений, которые требуют больших затрат финансовых и людских ресурсов.
Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.
Диссертационная работа выполнена в рамках выполненных Государственных заданий (1985-2008гг.) и Государственных программ по фундаментальным и прикладным исследованиям (2006-2007гг.), утвержденным КМ РУз в рамках Государственной программы по прогнозированию и предупреждению чрезвычайных ситуаций (2007-2009гг.).
Цель исследования. Разработать количественные модели напряженно - деформированного состояния геологической среды с внутренними разрывными нарушениями и определить на их основе количественные схемы концентрации сейсмотектонических напряжений в сейсмогенных разломах земной коры Узбекистана.
Задачи исследования:
1. Анализ современного состояния проблемы концентрации напряжений в сейсмогенных разломах земной коры и разработка базовых условий для количественных моделей.
2. Разработка модели сейсмотектонического процесса концентрации напряжений вблизи одиночных неоднородностей для реальных значений геофизических параметров и методов численного решения задач, моделирующих исходную континуальную систему.
3. Оценка напряженно-деформированного состояния зон разрывообразования при докритических деформациях и квазистатическом распределении сейсмотектонических напряжений вблизи различных типов разрывных нарушений для линейных и неоднородных условий модели земной коры. Определение деформаций и напряжений на локальных участках между различными сейсмотектоническими структурами при однородном горизонтальном давлении слоистых массивов.
4. Оценка и анализ деформаций и их изменений в пространстве и поле действующих упругих сил с определением аналитических связей между вариацией геофизических и деформационных параметров в зонах высокой концентрации напряжений и максимальных площадей зоны их возможного влияния.
5. Количественный анализ напряженно-деформированного состояния, условий и форм концентрации напряжений в сейсмогенных разломах земной коры различных регионов Узбекистана.
Объект и предмет исследований: - сейсмотектонические (сейсмогенные) разломы Узбекистана на современном этапе геологического развития, в которых изменение геоморфологических форм зависит от уровня сейсмической активности. Площадь исследований охватывает Восточный, Южный и Западный Узбекистан, включая зоны перехода от Тянь-шаньского орогена к Туранской платформе. Предмет исследований – изучение характера распределения деформаций и концентрации напряжений и оценка вариаций локальных квазирегулярных деформаций в сейсмоактивных разломах.
Методы исследования: численное моделирование для решения краевых задач математической физики, сформулированных в пределах формализации классических представлений механики деформируемого твердого тела, и их решение методом «источников» и «стоков». Для большинства из них автором поставлены специальные краевые задачи, сводящиеся к модельным, для которых построены соответствующие алгоритмы и программы. Пакеты программ зарегистрированы в Главном патентном управлении РУз.
Гипотеза исследований: твердая часть земной коры считается эластичной в рамках действия линейных законов упругости. Макроскопические объемы считаются однородными и кусочно-однородными в пределах усредненных модулей. Физическое состояние геологической среды при любых динамических условиях считается гомогенным. Каждый шаг нового нагружения среды принят как ее новое квазиравновесное состояние.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные количественные модели, оценивающие напряженно-деформированное состояние сейсмогенных разломов, и результаты расчета локальных избыточных сейсмотектонических напряжений для геоструктурных и геофизических условий земной коры Узбекистана на современном этапе геологического развития.
2. Принципы формализации сейсмотектонического процесса при линейном деформировании геологических объектов, в которых впервые учтено совместное и отдельное влияние внутренних неоднородностей (разломы, разрывы, включения и др.) земной коры.
3. Методы пространственного расчета полей напряжений, их концентрации, деформационного влияния и смещений в областях развития сейсмоактивных тектонических разломов.
4. Закономерности, выявленные для квазиравновесного поведения локальной концентрации напряжений на участках сейсмически активных разломов, и связанные с ними условия деформирования, приводящие к формированию аномальных геофизических полей перед сильными коровыми землетрясениями.
5. Количественная оценка деформаций и смещений земной поверхности для ряда областей Узбекистана, находящихся в различных геолого-тектонических условиях, полученная на основе результатов анализа зон максимальной концентрации напряжений в рамках построенных моделей.
Научная новизна:
1. Впервые обоснована применимость квазистатических задач математической физики о концентраторах напряжений для оценки распределения тектонических сил в зонах сейсмоактивных разломов
2. Для внутрикоровых сил, образующих основное геофизическое поле, разработаны количественные модели концентрации тектонического напряжения вблизи отдельных сейсмоактивных разломов земной коры. Впервые выявлено, что концентрация напряжений вблизи сейсмоактивных разломов является вариацией накопления упругой энергии при наличии и отсутствии разрывного нарушения.
3. Выявлены условия совместного влияния нескольких концентраторов напряжений на деформирование геологической среды, по которым впервые определены формы перемещения поверхности при произвольном геометрическом расположении сейсмогенных разрывов и разных вариациях исходных геофизических параметров.
4. На базе анализа деформационных предвестников сейсмического процесса, основанного на изучении распределения и оценки максимальных зон их распространения вдоль и поперек сейсмоактивных разломных зон, выявлены количественные связи концентрации напряжений с аномальными деформационными полями для конкретных очаговых зон землетрясений.
5. На примере сейсмогенных структур Узбекистана построена количественная модель первичного силового поля, выделены возможные зоны высокой концентрации касательных напряжений как очаговые зоны предстоящих тектонических землетрясений.
6. Впервые построена схема распределения касательных напряжений сейсмогеодинамических полигонов Узбекистана с выделением наибольшей локальной концентрации. Она может являться, в первом приближении, основой для оценки энергии деформации, выделения возможных очаговых зон предстоящих землетрясений и зон потенциальной сейсмичности .
Научная и практическая значимость результатов исследований.
Разработанная пространственная геомеханическая модель, количественное значение напряженно-деформированного состояния сейсмоактивных разломов и деформации кусочно-однородной геологической среды имеют большое значение при оценке различных предразрывообразовательных процессов орогенной части Западного Тянь-Шаня. Особенно, когда в земной коре при однородной концентрации напряжений и линейной вариации глубины расположения неоднородностей, образуются дополнительные деформации в структурах геологической среды, которые адекватно отражаются в аномальных смещениях свободной поверхности Земли. Вычисленные максимальные радиусы зоны проявления дополнительных предвестниковых деформаций, рассчитанные на основе влияния избыточных напряжений, охватывают широкий диапазон магнитуд с учетом максимального изменения масштаба концентратора и предстоящей разрывообразующей зоны, что важно при оптимизации сети сейсмопрогностических наблюдений по всей территории Узбекистана.
На основе модельных расчетов напряженно-деформированного состояния системы сейсмоактивных разломов Чаткало-Кураминской зоны, Байсун-Гиссарских хребтов и Ферганской депрессии показано, что основной силой может являться горизонтальное давление в северо-западном направлении глубинных структур Памира. Это дает возможность районировать высокосейсмонапряженные зоны, что намного облегчает выделение областей ожидаемых землетрясений и сейсмоопасных участков Узбекистана на уровне более детальных количественных энергетических оценок.
Реализация результатов. Основные научные положения и результаты являются составной частью двух заданий Комитета координации развития науки и технологий при КМ РУз, они были использованы в 24-х научных отчетах Института сейсмологии АН РУз, выполненных по государственному заказу. Построенные распределения полей напряжений вблизи сейсмогенных разломов дают возможность составить схемы повышенной локальной концентрации сейсмотектонических напряжений в земной коре Узбекистана и рассчитать не только силовые поля в зонах активных разломов, но и использовать при расчете дополнительные усилия для выявления возможных избыточных напряжений в предполагаемых зонах готовящихся тектонических землетрясений. Часть работ внедрена в МЧС РУз как завершенные НИР по фундаментальным исследованиям.
Апробация работы. Основные положении диссертации доложены: на Китайском международном симпозиуме «Поиск предвестников землетрясений» (Урумчи, Китай, 1994-1996гг.); ххI Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза (Вена, Австрия, 1997г.); Международной конференции «Проблемы изучения Тянь-Шаньских землетрясений» (Урумчи, Китай, 1999г.), Международной конференции «Актуальные проблемы теории прочности» (Витебск, Беларусь, 2000г.); VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001г.); Международной конференции «Физика разрушений в земной коре» (Красноярск, 2001г.); Международной научной конференции «Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства и сейсмологии» (Душанбе, 2005г.); Международной научной конференции «100-летие Каратагского землетрясения и современные проблемы сейсмостойкого строительства и сейсмологии» (Душанбе, 2007г.); II Азиатской международной конференции «Сокращение риска бедствия» («Disaster Risk Reduction», Дели, Индия, 2007г.); IV Международном симпозиуме «Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы» (Бишкек, 2008г.); Международной научной конференции «Современные задачи геофизики и инженерной сейсмологии» (Грюмри, Армения, 2008г.); Международной конференции «Проблемы оценки сейсмической опасности и снижения последствий землетрясений» (Ташкент, 2008г.); объединенных семинарах по сейсмологии, инженерной сейсмологии, сейсмическому районированию и прогнозу землетрясений Института сейсмологии АН РУз, Ташкент (1990-2008гг.)
Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликованы 66 печатных работ (в том числе одна монография), 32 в периодических изданиях (в том числе 7 в иностранных периодических изданиях). Разработанные новые алгоритмы и системные средства защищены тремя патентами в Государственном патентном ведомстве Республики Узбекистан (1999-2005гг.). Результаты работ были представлены на выставке «Наука, техника и экономика Узбекистана» в Лаосе (1990г.); выставке, посвященной 60-летию АН РУз, Ташкент (2003г.); выставке II Азиатской международной конференции «Сокращение риска бедствия» (Disaster Risk Reduction), Индия, Дели (2007г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, объем работы составляет 218 страниц машинописного текста, включая 54 иллюстрации и 20 таблиц. В конце диссертации приводятся приложения, библиография, включающая 279 наименований.
При выполнении работы автором использована опубликованные и фондовые материалы геологических организаций: «Карта активных разломов» (Д.Х Якубов, М.А.Ахмеджанов, О.М.,Борисов, 1976г.); «Карта сейсмогенных разломов» (Р.Н.Ибрагимов, 1976г.), «Геологическая карта Чаткальского хребта и гор Каржантау» (А.К.Ходжаев,1985г.); Сейсмотомографические профильные съемки ГСЗ (Ф.Х.Зуннунов, 1976г.); «Каталог землетрясений» Комплексной экспедиции Института сейсмологии АН РУз, «Международный каталог» Обнинска РАН, «Каталоги землетрясений» Геофизической службы США. Содержатся результаты тектонофизических съемок, проведенных лично автором совместно с сотрудниками Института сейсмологии АН РУз в 1993-2008гг. и выполненных в рамках Государственных программ фундаментальных исследований, Фонда поддержки фундаментальных исследований АН РУз и др.
Автор с глубокой благодарностью чтит память своих первых научных учителей - академика Рахматулина Халила Ахмедовича, академика Мавлянова Гани Арифхановича, профессора Саатова Ялкина Учкуновича.
Автор считает приятным долгом принести искреннюю благодарность научному консультанту доктору физико-математических наук, профессору Т.У.Артикову, определившему научную направленность диссертационной работы, за ценные консультации при выполнении диссертации, а также доктору геолого-минералогических наук, профессору Р.Н.Ибрагимову за поддержку и консультации при проведении формализации сейсмотектонических процессов.
Автор выражает благодарность всему коллективу Института Сейсмологии и Комплексной экспедиции во главе с академиком К.Н.Абдуллабековым за научную, консультативно-методическую и материальную поддержку при выполнении исследований.
Основное содержание ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость проведенных исследований по разработке количественных моделей, оценивающих напряженно-деформированное состояние сейсмоактивных разломов и расчету локальных избыточных тектонических напряжений в геоструктурных и сейсмотектонических условиях земной коры Узбекистана на современном этапе геологического развития. Предполагается, что напряженно-деформированное состояние геологической среды - это этап медленного роста энергии упругой деформации в локальных частях земной коры, которая в свою очередь находится в предварительно напряженном состоянии. При исследованиях учтены основные природные свойства геологической среды: естественное и дополнительное напряженное состояние и характеристики геологических структур верхней части земной коры, деформируемость и прочность горных массивов. Особый интерес к изучению дополнительных напряжений в земной коре вызван рядом важных обстоятельств.
Во-первых, практика исследований ряда произошедших тектонических землетрясений и данные экспериментальных определений аномальных изменений деформаций позволили надежно доказать, что общее поле напряжений земной коры, в основном, осложнено тектоническим силовым полем, под влиянием которого изменяется не только интенсивность, но и сам характер проявления современных движений.
Во-вторых, масштаб объемов очаговых зон тектонических землетрясений достигает такого размера, что уровень их воздействия на земную кору по мощности сопоставим с уровнем воздействия за счет естественных тектонических усилий.
В-третьих важным обстоятельством является то, что перед большинством коровых землетрясений появляются различные предвестники в геофизических, деформационных, гидрогеосеймологических и других полях, что означает образование зон локальной концентрации сейсмотектонических напряжений.
В предварительно напряженной однородной упругой геологической среде деформации (энергия деформации) распределены равномерно. Дополнительные усилия приводят к перераспределению полей напряжений в геологической среде. Концентрация напряжений может образоваться в такой части земной коры, где нарушена ее физическая однородность. Создание количественных моделей подобных концентраторов, несмотря на абстракцию, элементами математики определяют достаточную схожесть с реальностью, так как модельное представление выведено по физическим законам. Поэтому в диссертации излагаются решения статических задач с разрывными нарушениями для упругих сред, анализируя условия проявления деформационных предвестников разной формы, а также сравнивая количественные результаты моделирования с данными инструментальных, геофизических, сейсмологических и сейсмотектонических наблюдений на примере произошедших землетрясений.