WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
STRESS STATE НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ OF THE EARTH CRUST ЗЕМНОЙ КОРЫ N. V. KORONOVSKY..

Earth’s crust modern ‚ „‰‡‚ ‚ stress condition, its origin... ‚‡ and peculiarities, the orientation of the extension Напряженное состояние характеризует не только сами поверхностные слои, которые можно наand compression zones блюдать непосредственно, но и более глубинные in different geological части земной коры, причем величина напряжения structures have been conсоставляет несколько сот мегапаскалей (МПа). Тот факт, что горные породы испытывают большие наsidered. The possibility of пряжения, уже давно хорошо известен. Строители the paleostress reconтоннелей столкнулись с ним еще в прошлом стоstruction at the past geoлетии. С того времени и началось изучение напряженного состояния массивов горных пород.

logical epochs have been Установлено, что напряжения обладают не только discussed.

вертикальной, но и горизонтальной компонентой.

Изучение напряженного состояния земной коры на всю ее глубину в целом и массивов горных пород ‡‡‚‡fl ‚имеет не только важное научное, но и практическое ‡fl значение. Знание напряженного состояния массиfl, вов горных пород позволяет в несколько раз увеличить надежность подземных сооружений. Поскольку „ ·, ‚все тектонические процессы связаны с действую ‰, щим в каждый момент времени полем напряжения ‚‡ ‡в земной коре, знание этого поля в настоящее время и геологическом прошлом необходимо для понимаfl ‡flfl ‚ ‡ния геологических явлений.

„„ Напряженное состояние. В школьных курсах фи‡. ·‰‡зики изучают главным образом динамику газов и жидкостей. Одним из важнейших в этих разделах fl ‚ является понятие давления. Давление – это сила, ‡‡flдействующая на единицу площади (например, на ‚ „„ стенки сосуда, в котором находится жидкость или газ). В общем случае, следовательно, давление явля.

ется векторной величиной. Однако в некоторых случаях, например при описании жидкости или всестороннего давления в горных породах, достаточно охарактеризовать давление действительным числом, то есть скаляром. Для вывода главных уравнений состояния газа или жидкости, например законов Бойля–Мариотта или Гей-Люсака, понятие о таком скалярном значении давления необходимо и достаточно.

При изучении твердых тел на любой выбранный элемент среды действуют одновременно два типа сил: массовые (объемные) и поверхностные. Массовые силы, такие, как сила тяжести, действуют в каждой точке объема, поверхностные силы приложены к поверхностям, ограничивающим твердое тело или какой-то элемент этого тела. Для описания состояния твердого тела важно знать не только удельные значения, но и направления действия сил, то есть приходится использовать только векторные, ‹1, © ‚.., величины. Такой величиной является напряжение при помощи довольно простых формул можно вы( ) – усилие, приходящееся на единицу площади числить напряжения (как нормальные, так и касасечения тела. В любом выбранном в теле сечении тельные) в любом сечении твердого тела. Величину, вектор напряжения по правилу параллелограмма равную среднему значению из трех главных норможет быть разложен на две составляющие. Первая, мальных напряжений, принято называть всестонаправленная перпендикулярно сечению называет- ронним давлением ся нормальным напряжением и обозначается, n p = 1/3( + + ).

1 2 вторая, направленная вдоль сечения называется каТри главных напряжения могут быть равны межсательным, или сдвиговым, напряжением и обознаду собой и полностью уравновешивать друг друга, чается (рис. 1). Напряженное состояние в точке тогда касательные напряжения в теле отсутствуют.

представляет собой совокупность векторов напряТакое состояние называют изотропным, соответстжений, выходящих из нее по всем направлениям.

вующий тензор – шаровым тензором, а сами главТакая совокупность называется тензором второго ные напряжения могут быть отождествлены с всеранга. Существует физическая закономерность, сторонним давлением p = = =, полностью связывающая величину вектора с его направлением 1 2 аналогичным понятию давления в жидкости или газе так, что, зная девять величин, можно вычислить вектор любого другого направления. При математиp 0 ческих действиях с тензорными величинами исTш =.

пользуется матричное исчисление. Если обозначить 0 p тензор напряжений Т, то запись будет следующей:

0 0 p При исследовании напряжений в горных поро x xy xz дах Земли чаще всего оказывается, что три главных T =.

yx y yz напряжения не равны между собой. Однако и в этом zx zy z случае удобно представлять напряженное состояние в виде суммы тензора изотропных напряжений В любом произвольно вырезанном кубике твер(их в этом случае часто называют литостатическим дого тела существуют три взаимно перпендикулярдавлением) и тензора-девиатора (дифференциальных сечения, на которые действуют только норных напряжений):

мальные напряжения, а касательные равны нулю.

T = Tш + D.

Эти сечения называют главными сечениями, а действующие на них нормальные напряжения – глав( – p) ными напряжениями и обозначают, и. За- p 0 x xy xz 1 2 пись тензора напряжений в этом случае содержит T = + 0 p 0 ( – p).

yx y yz только три главных нормальных напряжения 0 0 p ( – p) zx zy z 0 1 Компоненты тензора девиатора в геофизике и геоT =. динамике часто называют девиаторными напряже0 ниями. Например, 0 1 1 = – p, = – p, = – p 1 1 2 2 3 Обычно условливаются выбирать главные напряжения таким образом, что > >. Следователь- называют девиаторными главными напряжениями, 1 2 но, – это максимальное главное напряжение, – среднее значение которых равно нулю.



1 минимальное, а – промежуточное. Если мы знаИзменение литостатического давления отвечает ем ориентировку трех главных сечений и величину за изменение объема тела – при закрытии или отнормальных напряжений, действующих на них, то крытии микроскопических пор и трещинок в породах или при резком изменении компактности p ' 3 структуры составляющих минералов за счет так называемых фазовых переходов. Дифференциальные напряжения приводят к деформациям твердых тел и/или их разрушению.

p = + 1 ' p 2 ' Источники напряжений в земной коре можно 12 разделить на три группы:

1-я группа – это факторы, связанные с эндогенРис. 1. Трехосное напряженное состояние: 1 – ными, то есть внутренними, процессами, происхопроизвольное напряженное состояние; 2 – давледящими не только в земной коре, но также и в манние (изотропное напряжение); 3 – девиатор напряжения. тии Земли. Именно эти процессы генерируют как.. глобальное поле напряжений Земли, так и тектони- ление значительно превышает нормальное литоческие движения в земной коре; статическое, то есть давление, вызванное весом 2-я группа источников напряжений связана с вышележащих пород.

экзогенными факторами, такими, например, как Сейсмофокальные зоны – участки в земной копокровные оледенения, нагрузка искусственных ре и верхней мантии, в которых очаги землетрясеводохранилищ, эрозионная деятельность рек, отний фиксируются до глубин 500–600 км, также свикачка нефти, газа, воды с глубин в первые километдетельствуют о наличии сильнейшего сжатия в тех ры. В формировании глобального поля напряжений местах, где океанская, более тяжелая и холодная коэта группа факторов играет меньшую роль;

ра погружается (субдуцирует) под континентальную, 3-я группа факторов связана с космическими более легкую. Неоднородности верхней мантии, выисточниками, например с ротационными силами являемые под срединно-океаническими хребтами и Земли или силами, возникающими при быстром, древними платформами, также являются источнипрактически скачкообразном изменении скорости ками напряжений в литосфере и земной коре. Повращения планеты, а также с приливным воздейстскольку современная поверхностная структура Земвием Луны.

ли определяется перемещением литосферных плит, Из всех перечисленных источников самый суто и напряжения сжатия–растяжения концентрищественный вклад в общее поле напряжений вноруются в участках плит, имеющих соответствующий сят эндогенные процессы, которые и формируют геодинамический режим. В срединно-океаничесполя напряжений разных рангов.

ких хребтах, в области дивергентных границ преобЭндогенные источники поля напряжений. Какие ладает растяжение, а в зонах субдукции (конверже процессы вызывают напряженное состояние в гентных границ) – сжатие. Жесткость (прочность) земной коре и мантии Земли Наиболее важное литосферных плит позволяет передавать напряжезначение имеет термогравитационная неустойчиния, возникшие в одной ее части, на другие, наховость вещества мантии Земли до глубин 2900 км, в особенности астеносферного слоя, в котором вяз- дящиеся в нескольких тысячах километров от первых. Взаимодействие литосферных плит вносит кость на 2–3 порядка меньше, чем в вышележащих слоях верхней мантии и земной коры. Медленные наибольший вклад в создание современного поля движения вещества астеносферного слоя через вяз- напряжений в самой верхней оболочке Земли. При кое трение передают усилия в вышележащую часть более детальном рассмотрении устанавливается мантии и земную кору, то есть в литосферу, вызывая еще большее количество факторов, вызывающих в ней напряжения и соответственно деформации.

локальные поля напряжений. Например, постоянНапряжения могут возникать вследствие восходя- но действующая сила гравитации, которая хоть сама щих и нисходящих конвективных струй в мантии и не производит тектонической работы, но влияет Земли, по некоторым предположениям образуюна формирование местного поля напряжений. Дощих двухъярусную систему конвективных ячеек.

полнительные источники напряжений в земной коРеальное существование подобных очень медленре связаны с участками разогрева, местного плавленых струйных потоков в мантии Земли подтверждания, вулканизма. Однако возникающие при этом ется различными данными, и в первую очередь термонапряжения действуют на ограниченном просейсмотомографией – специальными сейсмичесстранстве, лишь искажая более обширное поле накими методами, позволяющими благодаря тонким пряжений.

расчетам выявить неоднородности в мантии, то есть ее участки, обладающие различной плотностью, а Экзогенные факторы. Дополнительные напряжеследовательно, и температурой. Результаты сейсмо- ния в земной коре вызываются контрастным рельетомографии подтверждаются и наблюдениями над фом, растущими горными сооружениями. Вес посилой тяжести, резкие аномалии которой выраже- следних влияет на формирование напряжений в ны как раз в тех местах, где предполагается погру- соседних участках литосферы, которая упруго реажение или подъем вещества мантии. Например, тагирует на эту нагрузку. Локальные напряжения мокие узкие, но весьма контрастные положительные и гут быть созданы движением подземных вод или каотрицательные гравитационные аномальные зоны ких-либо иных флюидов. Напряжения в литосфере, приурочены к глубоководным желобам и молодым возникающие в результате экзогенных процессов, горно-складчатым сооружениям в Андах, Индонесущественно меньше напряжений, вызываемых энзии, Алеутской, Курильской, Японской и других осдогенными причинами.





тровных дугах.

Космические факторы, в частности ротационные В горных областях подобного типа гравитационные аномалии обычно положительны, что свиде- силы, создают напряжения, не превышающие 0,1 Па, тельствует об избытке масс, которому должно отве- а приливные силы в результате взаимодействия Луны, Солнца и Земли провоцируют напряжения до чать увеличение давления на глубинах примерно от 50 до 100 км, что и является источником напряже- 10 Па, в то время как эндогенные силы формируют ний в литосфере и земной коре. Создаваемое дав- поля напряжений в несколько сот мегапаскалей.

, ‹1, горной породы и разрушаться. Существуют разнообразные инструментальные методы, при помощи коСуществует несколько методов измерения наторых наблюдают за аномальными напряжениями в пряженного состояния земной коры, обладающих горных выработках.

различной точностью. Следует заметить, что когда И наконец, деформации земной поверхности, мы говорим о напряжении в горных породах, то обусловленные полем напряжений, изучают геодеподразумеваем отклонение от литостатического зическими методами, наклономерами. Все они давсестороннего давления, обусловленного весом ют возможность выявить деформации и поля настолба горных пород на единицу площади, которое пряжений в поверхностных слоях. Однако в более равно примерно 27Н МПа, где Н – глубина (в км).

глубоких горизонтах земной коры ориентировка и Важную роль играют сейсмологические методы, величина напряжений могут быть совсем другими, основанные на выявлении главных осей напряжеи в этом заключается причина ограниченности геоний в очагах землетрясений согласно кинематичесдезических методов.

ким параметрам сейсмических волн, улавливаемых Таким образом, существуют разнообразные спонесколькими сейсмостанциями. Таких измерений собы измерения напряжений в земной коре как на сейчас произведено около 7 тыс.

поверхности, так и в более глубоких горизонтах. Не Напряженное состояние горных пород меняет все они равноценны, но их совместное применение их различные геофизические характеристики: магдает возможность составить общее представление о нитные, электрические, плотностные, скорости расвеличине и направленности современного поля напространения сейсмических волн. Измеряя анопряжений.

мальные значения этих характеристик, получают информацию о напряженно-деформированном со стоянии горных пород. Существуют и чисто теоретиНесмотря на то что напряжениями в породах ческие методы, позволяющие рассчитывать напрядавно занимались горняки, в геологии, особенно в женное состояние литосферы, однако они весьма теоретической, этой проблемой начали интересоприблизительны. Широко используются также геоваться лишь в 50-е годы. Однако наибольшее внилогические методы, в том числе дистанционные, то мание напряженное состояние коры и литосферы в есть дешифрирование аэро- и космических снимков целом привлекло внимание в середине 60-х годов с с целью выявления зон разрывов и трещин, сформипоявлением теории тектоники литосферных плит.

ровавшихся под влиянием определенного напряИзмерение напряжений, существующих на различженного состояния земной коры.

ных по геодинамической природе границах плит, Особняком стоят методы оценки напряженного хорошо подтверждало теоретические модели (рис. 2).

состояния горных пород по материалам наблюдеНапример, все активные континентальные окраиний в буровых скважинах и горных выработках. Для ны, где океаническая земная кора погружается под измерений формы поперечного сечения скважин континентальную, характеризуются сжимающими применяют кварцевые деформографы, при помощи горизонтальными напряжениями, причем ориенкоторых можно выявить деформации, а соответсттировка оси сжатия, как правило, оказывается первенно и напряжения по трем направлениям, распопендикулярной простиранию активной окраины ложенным взаимно перпендикулярно. Тем самым (рис. 3). Особенно хорошо это подтверждается сейспоявляется возможность измерить тензор напряжемологическими данными. Горизонтальное сжатие в ний в одной точке. Такие измерения составляют пределах Курильской и Японской островных дуг около 30% всех имеющихся данных.

оценивается в 200–400 МПа. Любопытно, что и Существуют и другие методы изучения напрявнутренние участки литосферных плит, находящиежений в керне (в столбике извлеченной породы) ся вдали от активных окраин, также находятся в соскважин, например: метод дискования керна, метод стоянии субгоризонтального сжатия, что свидеразгрузки, метод акустического каротажа, позволятельствует об их жесткости.

ющие определять остаточные упругие деформации Молодые горно-складчатые сооружения Альв породах. Но эти методы весьма трудоемки.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.