Дискретно-волновая динамика деформаций в сдвиговой зоне: результаты физического моделирования

Jazyk: ruština
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: Геодинамика и тектонофизика.
Popis: Наблюдения за миграцией землетрясений вдоль зон активных разломов [Richter, 1958; Mogi, 1968] и последующие теоретические разработки [Elsasser, 1969] положили начало разработке проблемы медленных деформационных волн в литосфере. Несмотря на солидный возраст этой проблемы и большое количество посвященных ей публикаций, убедительных подтверждений существования деформационных волн на сегодняшний день не получено. Это обусловлено тем, что целенаправленные полевые исследования по их инструментальной регистрации, требующие больших организационных и технических ресурсов, не проводились. С целью поиска решения этой проблемы авторами проведено физическое моделирование процесса формирования крупной сдвиговой зоны в упруговязкопластичной модели литосферы. На рисунке 1, А, представлена схема эксперимента. Выбор модельного материала граничных условий эксперимента осуществлялся в соответствии с критериями подобия, детальное описание которых представлено в [Sherman, 1984; Sherman et al., 1991; Bornyakov et al., 2014]. Модельный материал (водная паста монтмориллонитовой глины) ровным слоем размещался на двух штампах экспериментальной установки, после чего активный штамп 1 смещался относительно неподвижного, пассивного штампа 2 с постоянной скоростью. Для получения высококонтрастного изображения свободной поверхности модели на ее поверхность насыпался мелкий песок. Развивающийся в модели процесс формирования сдвиговой зоны фотографировался цифровой фотокамерой Basler acA2000-50gm c частотой 1 fps (1 кадр в секунду). На рисунке 1, Б, приведен пример оптического изображения фрагмента сдвиговой зоны. Для обработки полученных фотоматериалов использован метод корреляции цифровых изображений [Sutton et al., 2009]. Данный метод позволяет рассчитывать распределения компонент вектора перемещений, тензора деформации на поверхности испытываемого материала и их эволюцию во времени [Panteleev et al., 2014,2015]. Расчет полей деформации и перемещений на оптических изображениях поверхности модели осуществлялся в пределах прямоугольной области размером 220.00x72.17 mm, показанной на рис. 1, А, штрих-пунктирной линией. Для достаточного уровня детализации деформационных полей на каждом оптическом изображении выбранная область покрывалась равномерной сеткой с размером ячейки (подобласти) 3.43-3.43 мм (32x32 пиксела, размер одного пиксела 0.107x0.107 mm при принятом масштабном изображении). Далее для каждой пары оптических изображений вычислялась кросскорреляционная функция интенсивности пикселов между парами ячеек одинакового номера (рис. 2). Смещение максимума кросскорреляционной функции й позволяет определить направление и амплитуду смещения данной ячейки. Кроме этого, в сдвиговой зоне выполнен расчет поперечных деформаций в краевых частях двух смежных блоков в пределах линейных профилей точек 1.1-1.4 и 2.1-2.4 (рис. 3). Результаты обработки полученных с модели фотографий показали, что деформационный процесс, развивающийся в крупной сдвиговой зоне под действием приложенной к модели нагрузки, обусловлен двумя составляющими общим перемещением ее активного крыла и периодическим прохождением по зоне локализованных фронтов деформаций. Первая составляющая является главной и вносит основной вклад в накопление деформаций, тогда как вторая является второстепенной и осложняет протекание деформационного процесса. Локализованные фронты деформаций волн заходят в сдвиговую зону со стороны активного штампа и свободно проходят через нее транзитом, не меняя свои размеры и форму, пока ее внутренняя структура представлена мелкими разрывами (рис. 4, А; видео). Зарождающиеся впоследствии крупные разрывы, как структурные неоднородности, препятствуют прохождению через них деформационных волн. Вошедшая в сдвиговую зону единая протяженная деформационная волна, встречая на своем пути такие разрывы, разделяется ими на серию частных волновых фрагментов, перемещающихся по простиранию блоков (рис 4, Б; видео). Если в первом случае единым волноводом являлась вся сдвиговая зона, то во втором случае роль волноводов выполняют вычленяемые крупными разрывами протяженные узкие блоки. По мере дальнейшей эволюции внутренней структуры сдвиговой зоны и приближения деструктивного процесса к межстадийной перестройке [Bornyakov et al., 2014], в условиях существенного роста напряжений в ее пределах, направленная миграция фрагментов деформационных волн по блокам ослабевает и дополняется формированием малоподвижных замкнутых округлых и эллипсовидных фронтов локализованной деформации (рис. 4, В; видео). Таким образом, приведенные результаты показывают, что пространственно-временная динамика деформационных волн в сдвиговой зоне зависит от степени развития ее внутренней разрывно-блоковой структуры и уровня накопленных в ней напряжений. Для оценки отклика блоков на движение по ним деформационных волн для реперных точек 1.1-1.4 выполнен расчет поперечной деформации εxx (см. рис. 2, 3). Полученные результаты, представленные для удобства отображения в виде модуля, показывают, что деформационные волны с некоторой дискретностью последовательно проходят через реперные точки 1.1, 1.2, 1.3 и 1.4 от последней (1.4) к первой (1.1), инициируя возникновение в каждой из них импульсных деформационных аномалий. За выбранный контрольный временной интервал с 55 по 108 секунду зафиксировано прохождение трех деформационных волн с периодичностью 17-18 секунд (рис. 5). Прохождение деформационной волны через реперную точку сопровождается резким увеличением поперечной деформации. Несмотря на близкое расположение реперных точек друг от друга, реализующиеся в их пределах деформации отличаются по величине. Это связано с тем, что величина трения на межблоковом разрыве и уровень накопленных напряжений меняются как по его простиранию, так и во времени, что приводит к его сегментации. Степень сдвиговой активности даже у близко расположенных сегментов, а также у одного сегмента, но в разные моменты времени может отличаться [Bornyakov, Semenova, 2011; Bornyakov et al., 2014]. При этом, чем ниже активность сегмента разрыва, то есть чем выше прочность контакта между блоками в пределах сегмента, тем реже реализуются сдвиговые смещения по нему и тем большую деформационную аномалию создает проходящая деформационная волна в реперной точке в его окрестностях. Сопоставление пространственно-временной динамики поперечной деформации в смежных блоках 1 и 2 в пределах четырех пар точек 1.1-1.4, 2.1-2.2, 3.1-3.2 и 4.1-4.2 показало, что два фрагмента некогда единой волны перемещаются по этим блокам с разной скоростью. Скорость движения таких фрагментов в верхнем блоке (блок 1) всегда выше, чем в нижнем блоке (блок 2) (рис. 6). Периоды прохождения волновых фронтов для них составляют 17-18 и 23-24 секунды соответственно. Из-за разницы в скоростях за 350 секунд по первому блоку прошло 19 фрагментов деформационных волн, тогда как во втором блоке их зафиксировано на 2-3 фрагмента меньше (рис. 6). Оценка скорости пространственной миграции деформационных волн по всей сдвиговой зоне показала, что она меняется по мере их продвижения от активного к пассивному штампу. Так, средние скорости их прохождения от активного штампа до осевой линии сдвиговой зоны и от осевой линии до пассивного штампа составляют соответственно 4.65·10-3 и 6.5·10-4 м/с. При этом амплитуда деформационных волн возрастает (рис. 8). Выполненное экспериментальное исследование позволило впервые обнаружить деформационные волны в сдвиговой зоне, формирующейся в упруговязкопластичной модели литосферы. Оценены параметры деформационных волн, и показано их влияние на развитие аномальных импульсных деформаций во внутриразломных блоках. Выявлено, что пространственно-временная динамика деформационных волн в сдвиговой зоне зависит от степени развития ее внутренней разрывно-блоковой структуры и уровня накопленных в ней напряжений. В целом, полученные экспериментальные результаты подтверждают концепцию деформационных волн.
Observations of earthquake migration along active fault zones [Richter, 1958; Mogi, 1968] and related theoretical concepts [Elsasser, 1969] have laid the foundation for studying the problem of slow deformation waves in the lithosphere. Despite the fact that this problem has been under study for several decades and discussed in numerous publications, convincing evidence for the existence of deformation waves is still lacking. One of the causes is that comprehensive field studies to register such waves by special tools and equipment, which require sufficient organizational and technical resources, have not been conducted yet. The authors attempted at finding a solution to this problem by physical simulation of a major shear zone in an elastic-viscous-plastic model of the lithosphere. The experiment setup is shown in Figure 1 (A). The model material and boundary conditions were specified in accordance with the similarity criteria (described in detail in [Sherman, 1984; Sherman et al., 1991; Bornyakov et al., 2014]). The montmorillonite clay-and-water paste was placed evenly on two stamps of the installation and subject to deformation as the active stamp (1) moved relative to the passive stamp (2) at a constant speed. The upper model surface was covered with fine sand in order to get high-contrast photos. Photos of an emerging shear zone were taken every second by a Basler acA2000-50gm digital camera. Figure 1 (B) shows an optical image of a fragment of the shear zone. The photos were processed by the digital image correlation method described in [Sutton et al., 2009]. This method estimates the distribution of components of displacement vectors and strain tensors on the model surface and their evolution over time [Panteleev et al., 2014,2015]. Strain fields and displacements recorded in the optical images of the model surface were estimated in a rectangular box (220.00x72.17 mm) shown by a dot-and-dash line in Fig. 1, A. To ensure a sufficient level of detail in the analyses of the strain fields in each optical image, the selected area was covered with a uniform mesh (3.43x3.43 mm). In the zoomed-up images, the mesh was 32x32 pixels (a pixel of 0.107x0.107 mm). For each pair of optical images, we calculated cross-correlation functions of the intensity of pixels between pairs of the same size cells (Fig. 2). Directions and magnitudes of displacements of the cells were determined from displaced maximums of cross-correlation functions (ū ). Besides, for analyzing the emerging shear zone, we estimated transverse deformation in the marginal parts of two adjacent blocks within linear profiles (points 1.1-1.4 and 2.1-2.4 in Fig. 3). The model photos processing results show that under the load applied to the model, deformation in a large shear zone develops depending on two factors, the total displacement of the shear zone's active wing and local fronts of deformation waves which regularly pass across the shear zone. The displacement is a major factor contributing to the accumulation of strain. The second (minor) factor makes the deformation process more complicated. While the shear zone’s internal structure is composed of small cracks (Fig. 4, A; Video), the local fronts of deformation waves come to this zone from the side of the active stamp and can freely transit it without changing the wave size and shape. Later on, the propagation of deformation waves is hindered by structural heterogeneities, i.e. larger fractures. Once a uniform extended deformation wave comes into the shear zone, it gets broken by the fractures into a series of wave fragments moving along the strike of the blocks (Fig. 4, B; Video). In the first case, a single waveguide is the entire shear zone. In the second case, the narrow blocks separated by the large fractures operate as waveguides. The further evolution of the shear zone's internal structure leads to the inter-stage transformation [Bornyakov et al., 2014]; stresses increase significantly in the shear zone; the directional migration of deformation wave fragments in the blocks is reduced and accompanied by the formation of non-mobile closed circular and ellipsoidal fronts of local deformation (Fig. 4, C; Video). Thus, the physical modelling results show that the space-time dynamics of deformation waves in a shear zone depends on the degree of development of its internal fault-block structure and the level of stresses accumulated in the shear zone. To assess the response of the blocks to deformation waves, we estimated transverse deformation εxx for reference points 1.1, 1.2, 1.3, and 1.4 (see Fig. 2 and 3). For convenience, the results are presented as a module. It is revealed that deformation waves propagate from the last (1.4) to the first reference points (1.1) and trigger impulse-type de formation anomalies at these points. In the selected control time interval (55 to 108 seconds), three deformation waves passed each 17-18 seconds (Fig. 5). When a deformation wave passes the reference point, a sharp increase in the transverse deformation is recorded. Despite the fact that the reference points are located close to each other, the strain values differ at the reference points because values of friction at the interblock fracture and accumulated stresses vary both in space (along the strike of the fracture) and in time, and the fracture is segmented as a result. The degree of shearing is also variable with time in the closely spaced segments and even in one and the same segment [Bornyakov, Semenova, 2011; Bornyakov et al., 2014]. The lower is the activity of the fracture segment, the stronger is the contact between blocks within the limits of this segment, the rarer are shear displacements along this segment, and the stronger is the deformation anomaly that occurs due to the deformation wave at the reference point in the vicinity of this segment. By comparing the space-time dynamics of transverse deformation in the adjacent blocks (1 and 2) within the limits of four pairs of points (1.1-1.4, 2.1-2.2, 3.1-3.2, and 4.1-4.2), it is revealed that two fragments of the originally uniform wave are displaced at different velocities, and the displacement velocity in the upper block (1) is always higher than that in the lower block (2) (Fig. 6). It takes the wave front 17-18 и 23-24 seconds to pass across blocks 1 and 2, respectively. The records in a time span of 350 seconds show that due to the difference in the displacement velocities, 19 deformation wave fragments passed across block 1, while block 2 was passed by 16-17 fragments (see Fig. 6). Observations of the entire shear zone show that spatial migration rates of deformation waves change as the waves go from the active stamp to the passive one. An average wave propagation rate is 4.65·10-3 m/sec from the active stamp to the axial line, and 6.5·10-4 m/sec from the axial line to the passive stamp, and the amplitude of the deformation waves increases (Fig. 8). Our experimental study has pioneered in detecting the deformation waves in the shear zone developing in the elastic-viscous-plastic model of the lithosphere. We estimated the deformation wave parameters and their impact on the development of impulse-type deformation anomalies in the blocks separated by the faults. It is revealed that the space-time dynamics of deformation waves in a shear zone depends on the degree of development of its internal fault-block structure and the level of stresses accumulated in the shear zone. In general, the concept of deformation waves is supported by the physical modelling results.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: