УДК 534.13; 550.34

ОБ ИНИЦИИРОВАНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОДВИЖЕК ПО РАЗЛОМАМ ТЕХНОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Институт динамики геосфер РАН, г. Москва, Россия

*e-mail: SvetlanK@gmail.com

Аннотация. Предметом исследования являются инициированные техногенной деятельностью динамические подвижки по крупным разломам. Помимо признанных типов техногенных воздействий, таких как инжекция флюида или воздействие сейсмических колебаний, рассматривается возможный триггерный эффект от извлечения и перемещения породы при горных работах. Показано, что динамическое скольжение может быть инициировано лишь на тех разломах, для которых выполняются три геомеханических условия возникновения нестабильности: близость величины кулоновских напряжений на плоскости разлома к локальному пределу прочности; выполнение условия разупрочнения фрикционного контакта с ростом скорости скольжения и относительного перемещения берегов; выполнение определенного соотношения между жесткостью вмещающего массива и скоростью снижения фрикционного сопротивления. Особенности формирования динамического скольжения по разлому рассматривались в серии лабораторных и численных экспериментов. Показано, что подвижка всегда начинается на участке, обладающем свойством скоростного разупрочнения, независимо от расположения такого участка относительно приложения нагрузки. Расчеты демонстрируют, что выемка породы в крупном добывающем карьере приводит к изменению ~1 МПа кулоновских напряжений на плоскости разлома на таких площадях, которые значительно превышают размер зоны нуклеации землетрясений с магнитудой M ≤ 6. Этого может оказаться достаточно для инициирования сейсмогенерирующих подвижек по напряженным разломам.

Ключевые слова: техногенные землетрясения, триггерный эффект, активный разлом, кулоновское напряжение, открытые горные работы.

https://doi.org/10.21455/GPB2019.3-7

Цитирование: Кочарян Г.Г., Батухтин И.В., Будков А.М., Иванченко Г.Н., Кишкина С.Б., Павлов Д.В. Об инициировании динамических подвижек по разломам техногенным воздействием // Геофизические процессы и биосфера. 2019. Т. 18, № 3. С. 104–116. https://doi.org/10.21455/GPB2019.3-7

Литература

Адушкин В.В. Тектонические землетрясения техногенного происхождения // Физика Земли. 2016. № 2. С. 22–44.

Адушкин В.В. Развитие техногенно-тектонической сейсмичности в Кузбассе // Геология и геофизика. 2018. Т. 59, № 5. С. 709–724.

Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенная сейсмичность – индуцированная и триггерная. М.: ИДГ РАН, 2015. 364 с.

Адушкин В.В., Кочарян Г.Г., Павлов Д.В., Виноградов Е.А., Гончаров А.И., Куликов В.И., Кулюкин А.А. О влиянии сейсмических колебаний на развитие тектонических деформаций // Докл. РАН. 2009. Т. 425, № 1. С. 98–100.

Архипов В.Н., Борисов В.А., Будков А.М., Валько В.В., Галиев А.М., Гончарова О.П., Зайков И.М., Замышляев Б.В., Кнестяпин А.М., Королев В.С., Кузовлев В.Д., Макаров В.Е., Селиверстов И.Ю., Семенов Г.И., Смазнов В.В., Смирнов Е.И., Ушаков О.Н. Механическое действие ядерного взрыва. М.: Физматлит, 2003. 550 с.

Батухтин И.В., Павлов Д.В., Марков В.К., Варыпаев А.В. Влияние пространственной гетерогенности заполнителя трещины на инициацию сейсмогенного разрыва: Лабораторный эксперимент // Динамические процессы в геосферах: Сб. науч. тр. ИДГ РАН. М.: Графитекс, 2018. С.117–124.

Болт Б.А., Хорн У.Л., Макдоналд Г.А., Скотт Р.Ф. Геологические стихии. М.: Мир, 1978. 438 с.

Гончаров А.И., Куликов В.И., Мартинсон Н.М. О сейсмическом действии массовых взрывов на карьерах КМА // Горн. инф.-аналит. бюл. (науч.-тех. журн.). 2002. № 1. С. 162–164.

Гончаров А.И., Куликов В.И., Минеев В.И., Седоченко В.В. Сейсмическое действие массовых взрывов на подземных и открытых работах // Динамические процессы во взаимодействующих геосферах: Сб. науч. тр. ИДГ РАН. М.: ГЕОС, 2006. С. 22–33.

Киссин И.Г. Флюиды в земной коре: Геофизические и тектонические аспекты. М.: Наука, 2015. 328 с.

Кишкина С.Б. Параметры сейсмического эффекта массовых короткозамедленных взрывов // Вестн. НЯЦ РК. 2004. Вып. 2. С. 171–178.

Короткин В.Г. Объемная задача для упруго-изотропного пространства // Сб. Гидроэнергопроекта. 1938. № 4.

Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС, 2016. С. 424.

Кочарян Г.Г., Остапчук А.А. Влияние вязкости тонких пленок на закономерности фрикционного взаимодействия блоков горной породы // Докл. РАН. 2015. Т. 463, № 3. С. 343–346.

Кочарян Г.Г., Родионов В.Н. О природе тектонических сил // Докл. АН СССР. 1988. Т. 302, № 2. С. 304–305.

Кочарян Г.Г., Федоров А.Е. Об особенностях механики сейсмического процесса в блочной геофизической среде // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315, № 6. С. 1345–1349.

Кочарян Г.Г., Остапчук А.А., Мартынов В.С. Изменение режима деформирования разлома в результате инжекции флюида // Физ.-техн. проблемы разработки полезн. ископ. 2017. № 2. С. 20–28.

Кочарян Г.Г., Остапчук А.А., Павлов Д.В. Режим деформирования разломных зон и инициирующий потенциал сейсмических колебаний // Триггерные эффекты в геосистемах: Материалы Второго Всерос. семинара-совещания / Под ред. В.В. Адушкина, Г.Г. Кочаряна. М.: ГЕОС, 2013. С. 34–45.

Кочарян Г.Г., Кулюкин А.А., Марков В.К., Марков Д.В., Павлов Д.В. Малые возмущения и напряженно-деформированное состояние земной коры // Физ. мезомеханика. 2005. Т. 8, № 1. С. 23–36.

Кузьмин Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов // Геологическое изучение и использование недр. М.: Геоинформмарк, 1996. Вып. № 4. С. 43–53.

Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломных зон: Разломообразование в реальном масштабе времени // Геодинамика и тектонофизика. 2014. № 5(2). C. 401–443. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0135

Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. М.: Горн. кн., 2012. 264 с.

Леонов Ю.Г. Напряжения в литосфере и внутриплитная тектоника // Геотектоника. 1995. № 6. С. 3–21.

Ловчиков А.В. Сильнейшие горно-тектонические удары и техногенные землетрясения на рудниках России // Физ.-техн. проблемы разработки полезн. ископ. 2013. № 4. С. 68–73.

Ляв А. Математическая теория упругости. М.; Л.: ОНТИ, 1935. 674 с.

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

Ружич В.В., Медведев В.Я., Иванова Л.А. Залечивание сейсмогенных разрывов и повторяемость землетрясений // Сейсмичность Байкальского рифта. Прогностические аспекты: Сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 1990. С. 44–50.

Сейсмичность при горных работах / Под ред. Н.Н. Мельникова. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. 318 с.

Соболев Г.А., Пономарев А.В. Динамика разрушения моделей геологической среды при триггерном влиянии жидкости // Физика Земли. 2011. № 10. С. 48–63.

Соболев Г.А., Закржевская Н.А., Соболев Д.Г. Триггерное возбуждение повторных землетрясений // Физика Земли. 2016. № 2. С. 3–21.

Соболев Г.А., Кольцов А.В., Андреев В.О. Триггерный эффект колебаний в модели землетрясений // Докл. РАН. 1991. Т. 319. C. 337–341.

Соболев Г.А., Пономарев А.В., Майбук Ю.Я., Закржевская Н.А., Понятовская В.И., Соболев Д.Г., Хромов А.А., Цывинская Ю.В. Динамика акустической эмиссии при инициировании водой // Физика Земли. 2010. № 2. С. 50–67.

Трифонов В.Г. Неотектоника подвижных поясов. М.: ГЕОС, 2017. 179 с.

Das S., Scholz C.H. Off-fault aftershock clusters caused by shear stress increase // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1983. V. 71. P. 1669–1675.

Dieterich J.H. Modeling of rock friction: Experimental results and constitutive equations // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. P. 2161–2168. https://doi.org/10.1029/JB084iB05p02161

Djadkov P.G. Induced seismicity at the Lake Baikal: Principal role of load rate // Abstr. of the 29th General Assembly of the IASP of the Earth’s Interior, August 18–28, 1997. Thessaloniki, Greece, 1997. P. 359.

Ellsworth W.L. Injection-induced earthquakes // Science. 2013. V. 341, iss. 6142. https://doi.org/10.1126/science.1225942

Ellsworth W.L., Beroza G.C. Seismic evidence for an earthquake nucleation phase // Science. 1995. V. 268. P. 851– 855. https://doi.org/10.1126/science.268.5212.851

Foulger G.R., Wilson M.P., Gluyas J.G., Julian B.R., Davies R.J. Global review of human-induced earthquakes // Earth-Sci. Rev. March 2018. V. 178. P. 438–514. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.07.008

Guglielmi Y., Cappa F., Avouac J.-P., Henry P., Elsworth D. Seismicity triggered by fluid injection-induced aseismic slip // Science. 2015. V. 348. P. 1224–1226. https://doi.org/10.1126/science.aab0476

Hill D.P., Prejean S.G. Dynamic triggering // Geophysical treatise, earthquake seismology / Ed. H. Kanamori. Amsterdam: Elsevier, 2007.

Ide S., Takeo M. Determination of constitutive relations of fault slip based on seismic wave analysis // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 27.379–27.391. https://doi.org/10.1029/97JB02675

King G.C.P., Stein R.S., Lin J. Static stress changes and the triggering of earthquakes // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1994. V. 84. P. 935–953.

Kocharyan G.G., Novikov V.A., Ostapchuk A.A., Pavlov D.V. A study of different fault slip modes governed by the gouge material composition in laboratory experiments // Geophys. Intern. J. 2017. V. 208. Р. 521–528. https://doi.org/10.1093/gji/ggw409

Melosh H.J. Acoustic fluidization: A new geologic process? // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. P. 7513–7520.

Nur A., Mavko G., Dvorkin J., Galmudi D. Critical porosity: A key to relating physical properties to porosity in rocks // The Leading Edge. 1998. V. 17 (3). P. 357–362. https://doi.org/10.1190/1.1437977

Papageorgiou A.S., Aki K. A specific barrier model for the quantitative description of inhomogeneous faulting and the prediction of strong ground motion. Pt. II. Applications of the model // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1983. V. 73. P. 953–978.

Peng Z., Gomberg J. An integrated perspective of the continuum between earthquakes and slow-slip phenomena // Nature Geosci. 2010. V. 3. P. 599–607. https://doi.org/10.1038/ngeo940

Rice J.R. Fault stress states, pore pressure distributions, and the weakness of the San Andreas fault // Fault mechanics and transport properties of rocks: A festschrift in honor of W.F. Brace / Ed. by B. Evans, T.-F. Wong. London, UK; SanDiego, USA, CA: Acad. Press, 1992. P. 475–504.

Scholz C.H. Earthquakes and friction laws // Nature. 1998. V. 391. P. 37–42. https://doi.org/10.1038/34097

Scholz C.H. The mechanics of earthquakes and faulting. Cambridge: Camb. Univ. Press, 2002. 496 p.

Stec K. Characteristics of seismic activity of the Upper Silesian Coal Basin in Poland // Geophys. J. Inter. 2007. V. 168. P. 757–768. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2006.03227.x

Townend J., Zoback M.D. How faulting keeps the crust strong // Geology. 2000. V. 28. P. 399–402. https://doi.org/10.1130/0091-7613(2000)028<0399:HFKTCS>2.3.CO

Zoback M.D., Zoback M.L. State of stress in the Earth’s lithosphere // International handbook of earthquake and engineering seismology. Pt. A / Eds W.H. Lee, H. Kanamori, P.C. Jennings, C. Kisslinger. Amsterdam: Acad. Press, 2002. P. 559–568.

Сведения об авторах

КОЧАРЯН Геворг Грантович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, г. Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. Тел.: +7 (495) 939-75-27. E-mail: gevorgkidg@mail.ru

БАТУХТИН Иван Вячеславович – младший научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, г. Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. Тел.: +7 (495) 939-79-03. E-mail: ivanmagnet7@gmail.com

БУДКОВ Александр Михайлович – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, г. Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. Тел +7 (495) 939-75-27. E-mail: jack77@mail.ru

ИВАНЧЕНКО Галина Николаевна – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, г. Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. Тел.: +7 (495) 939-75-73. E-mail: ivanchenko@idg.chph.ras.ru

КИШКИНА Светлана Борисовна – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, г. Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. Тел.: +7 (495) 939-75-73. E-mail: SvetlanK@gmail.com

ПАВЛОВ Дмитрий Вячеславович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН. 119334, г. Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. Тел.: +7 (495) 939-79-76. E-mail: dpav123@mail.ru

ON THE INITIATION OF DYNAMIC SLIPS ON FAULTS BY INDUSTRIAL IMPACTS

Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

*e-mail: SvetlanK@gmail.com

Abstract. The subject of the research is the dynamic movements along large faults initiated by industrial activity – «the fault-slip rock bursts». As a rule, focuses of such events are located at appreciable distances from the fronts of ongoing mining operations and at depths of several kilometers. In addition to the recognized types of trigger effects, such as fluid injection or seismic vibrations, the paper discusses the possible trigger effect of rock extraction and displacement during mining. The paper shows that a dynamic sliding can be initiated only on those faults, for which three geomechanical conditions for the occurrence of instability are fulfilled: (i) closeness of the Coulomb stresses on the fault plane to the local strength limit; (ii) the condition of weakening frictional contact with increasing sliding speed and relative movement of fault sides; (iii) realization of a certain ratio between the stiffness of the enclosing rock and the rate of reduction of the resistance to friction.

Features of formation of a dynamic slip along a fault were considered in the series of laboratory and numerical experiments. As a result, it is shown that the rupture always begins in the section with the property of velocity weakening, regardless of the location of such a section relative to the direction of load application.

With the help of analytical and numerical calculations, it became possible to demonstrate that excavation of rock in a large mining quarry leads to a change of about 1 MPa in the Coulomb stresses on fault plane in such areas that significantly exceed the size of the nucleation zone of earthquakes with. This may turn to be enough to initiate seismogenic slips along stressed faults.

Keywords: induced earthquakes, trigger effect, active fault, Coulomb stress, open mining.

About the authors

KOCHARYAN Gevorg G. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), professor, chief researcher, Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences. Russia, 119334, Moscow, Leninsky av., 38-1. Tel.: +7 (495) 939-75-27. E-mail: gevorgkidg@mail.ru

BATUHTIN Ivan V. – junior researcher, Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences. Russia, 119334, Moscow, Leninsky av., 38-1. Tel.: +7 (495) 939-79-03. E-mail: ivanmagnet7@gmail.com

BUDKOV Alexander M. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences. Russia, 119334, Moscow, Leninsky av., 38-1. Tel.: +7 (495) 939-75-27. E-mail: jack77@mail.ru

IVANCHENKO Galina N. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), senior researcher, Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences. Russia, 119334, Moscow, Leninsky av., 38-1. Tel.: +7 (495) 939-75-73. E-mail: ivanchenko@idg.chph.ras.ru

KISHKINA Svetlana B. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences. Russia, 119334, Moscow, Leninsky av., 38-1. Tel.: +7 (495) 939-75-73. E-mail: SvetlanK@gmail.com

PAVLOV Dmitry V. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Institute of Geosphere Dynamics, Russian Academy of Sciences. Russia, 119334, Moscow, Leninsky av., 38-1. +7 (495) 939-79-76. E-mail: dpav123@mail.ru

Cite this article as: Kocharyan G.G., Batuhtin I.V., Budkov A.M., Ivanchenko G.N., Kishkina S.B., Pavlov D.V. On the initiation of dynamic slips on faults by industrial impacts, Geofizicheskie Protsessy i Biosfera (Geophysical Processes and Biosphere), 2019, vol. 18, no. 3, pp. 104–116 (in Russian). https://doi.org/10.21455/gpb2019.3-7

English version: Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2019, vol. 55, iss. 10. ISSN: 0001-4338 (Print), 1555-628X (Online). https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/11485