Full Text

Введение Пионерские работы Эшелби о влиянии включений и неоднородностей упругих свойств на напряженно-деформированное состояние линейно-упругого пространства, опубликованные в середине прошлого века [1, 2], положили начало активному использованию предложенного подхода для решения различных задач механики структурно-неоднородных сред [3-7]. В настоящее время в ряде работ предложено обобщение задач о неоднородности и включении на случай анизотропных сред [8-11] и случай неупругих сред [12-17]. Отдельным направлением использования результатов решения задач о включении и неоднородности являются задачи расчета предвестниковых изменений геофизических полей различной природы при подготовке тектонических коровых (внутриплитных) землетрясений. В таких задачах за неоднородность упругих свойств принимается область геосреды, которая возмущает асейсмичное течение тектонических процессов и является непосредственной причиной возникновения и развития предвестников. Момент распада неоднородности при этом ассоциируется с моментом наступления землетрясения и появлением очага. Одним из возможных физических механизмов появления таких неоднородностей в геосреде служит зацепление двух блоков (отдельностей), которое в поле приложенных тектонических напряжений приводит к появлению консолидированной области (неоднородности), осредненные свойства которой отличаются от свойств среды до зацепления. В таком случае распаду неоднородности соответствует подвижка по границе этих блоков, приводящая к генерации сейсмических волн. Приведенное представление о процессе формирования очага является, безусловно, сильно упрощенным и модельным, однако позволяет проводить прямые расчеты эволюции деформационных, фильтрационных, электромагнитных полей, вызванных подготовкой конкретного сейсмического события, а также оценивать размеры зоны проявления предвестников различной природы. В работах [18-20], посвященных задачам расчета предвестниковых изменений при подготовке и реализации одиночного землетрясения, принимается гипотеза о существенно незначительном вкладе гравитационных сил в возмущение напряженно-деформированного состояния геосреды, вызванное неоднородностью упругих свойств (областью формирования будущего очага). Правомочность такой гипотезы обосновывается тем, что коровые (внутриплитные) землетрясения являются в основном неглубокофокусными (глубина расположения гипоцентра не более 50 км) и гравитационные напряжения на таких глубинах существенно меньше тектонических напряжений, вызванных движением плит. Настоящая работа посвящена оценке вклада гравитационных сил (силы тяжести) в возмущение напряженно-деформированного состояния упругого полупространства, вызванное шаровой неоднородностью упругих свойств, расположенной на некоторой глубине. Полученное аналитическое решение для определения возмущения напряженно-деформированного состояния (НДС) упругого полупространства c шаровой неоднородностью упругих свойств при действии только гравитационных сил сравнивается с решением, полученным в [20] для случая чистого сдвига без учета сил гравитации; решение [20] получено в развитие подхода, основанного на методе функций Грина для однородной упругой среды и использованного ранее в [21-23] для вычисления полей возмущений (пульсаций) деформационных полей в неограниченных композитных средах. 1. Математическая постановка задачи В работе задача о неоднородности упругих свойств формулируется и решается на основе подхода, предложенного в [18, 20]. Рассмотрим исходно однородное упругое полупространство и полупространство с неоднородностью упругих свойств, занимающую область центр которой расположен на некоторой глубине . Граница полупространства свободна от напряжений. Краевая задача теории упругости в перемещениях для полупространства с неоднородностью имеет вид (1) где - вектор перемещений; - тензорное поле упругих модулей, компоненты которого обладают следующими свойствами симметрии: , , - компоненты вектора удельной объемной силы; - линейный однородный оператор граничных условий, система координат - декартова с началом координат в центре неоднородности. На границе между неоднородностью и полупространством предполагается выполнение условия непрерывности векторов перемещений и напряжений. Здесь и далее используется общепринятая система индексов: по повторяющимся индексам проводится суммирование, запятая в нижнем индексе обозначает дифференцирование по соответствующей координате, все индексы принимают значения от единицы до трех. Наряду с задачей (1) рассмотрим задачу нахождения напряженно-деформированного состояния полупространства без неоднородности (2) Предполагается, что решение системы (2) для полупространства известно и известна ее функция Грина , которая удовлетворяет системе (3) где - символы Кронекера; - дельта-функция; - номер единичной силы, приложенной в точке и действующей вдоль оси . Будем искать возмущение поля перемещений, вызванное неоднородностью, как разницу между решениями (1) и (2), полагая [24], что (4) где - характеристическая функция неоднородности (внутри и на границе неоднородности , снаружи неоднородности ); - тензорное поле упругих модулей внутри неоднородности; - числовой параметр, отражающий степень неоднородности свойств, . Тогда из (1), (2) с учетом (4) получаем задачу для определения : (5) Рассмотрим случай, когда модули упругости в неоднородности не существенно отличаются от модулей окружающего полупространства. Тогда для решения задачи (5) используем метод малого параметра, изложенный в [24], и будем искать решение в виде ряда (6) Подставив (5) в (6) и раскрывая итоговое соотношения для каждой степени приходим к следующему набору систем при нулевых граничных условиях: (7) Решение системы (7) можно представить через функции Грина (упростив с использованием формулы Гаусса-Остроградского) в виде (8) где - область неоднородности. В результате рекуррентная последовательность (8) позволяет найти компоненты вектора перемещений для конкретных граничных условий, формы и степени неоднородности. 2. Шаровая неоднородность в упругом полупространстве в поле силы тяжести Для задач расчетов предвестниковых изменений геофизических полей различной природы при подготовке тектонического корового землетрясения наибольший интерес представляет дальняя зона возмущений НДС геосреды (расстояние от неоднородности превосходит несколько ее радиусов), в этом случае форма неоднородности слабо влияет на характер возмущений. В связи с этим далее будем рассматривать случай шаровой неоднородности упругих свойств. Из полевых наблюдений за вариациями отношения скоростей продольных и поперечных волн известно, что вариация модулей упругости в районе формирования очага землетрясения не превосходит 20 %, поэтому для нахождения решения задачи (5) ограничимся первым приближением в рекуррентной последовательности (8). Первое приближение для случая однородного изотропного полупространства с неоднородностью согласно (8) имеет вид (9) где - тензор Миндлина, являющийся функцией Грина для однородного изотропного полупространства [25, 26]. В свою очередь, компоненты тензора Миндлина задаются соотношениями (10) где ; - модуль сдвига среды; - коэффициент Пуассона среды. Вспомогательные функции задаются соотношениями (11) Предположим, что модули упругости внутри неоднородности одинаковы для всех точек объема, т.е. , тогда соотношение (9) может быть записано как (12) Случай, когда на полупространство действует только сила тяжести, может быть сведен к случаю однородного напряженно-деформированного состояния невозмущенного полупространства (согласно [26]) соответствующим заданием граничных условий. Тогда соотношение (12) примет вид (13) где (14) При интегрировании компонент тензора Миндлина решение задачи (13) будет содержать линейные комбинации потенциалов (гармонического и бигармонического ) и квазипотенциалов (бигармонического , гармонического , логарифмического , смешанного ) однородных тел, свойства которых в настоящее время хорошо изучены. Свойства, использованные для решения настоящей задачи, представлены в [32-33]. Для этих потенциалов и квазипотенциалов выполняются соотношения (15) где Для случая полупространства введенные потенциалы по отношению к неоднородности могут быть внешними (индекс «е») и внутренними (индекс «i»), тогда как квазипотенциалы могут быть только внешними. Далее рассмотрим случай однородной и изотропной неоднородности, свойства в которой отличаются от свойств окружающего пространства только модулем сдвига. Физические предпосылки такого предположения описаны в [20]. Тогда приращение модулей упругости в неоднородности можно записать в виде (16) где - модуль сдвига окружающей неоднородность среды; - степень отличия модуля сдвига неоднородности . Раскроем соотношение (13) с учетом (16) и запишем его в напряжениях, учтя, что на дневной поверхности касательные напряжения , , равны нулю ( = 0 во всей области в силу осевой симметрии задачи): (17) Вычисление компонент вектора перемещений с использованием соотношения (17) требует конкретизации граничных условий на границах полупространства. В случае действия на полупространство только сил тяжести компоненты тензора равны и ( - ускорение свободного падения, - коэффициент Пуассона). Видно, что для дневной поверхности автоматически выполняется условие отсутствия напряжений. Раскроем выражение (17) с учетом правила дифференцирования потенциалов и квазипотенциалов (27) и соотношений (15). В результате перемещения определяются формулами (18) где . Дифференцирование соотношений (18) по соответствующим координатам позволяет найти все компоненты тензора деформаций. В задачах расчета гидрогеологических и электрокинетических предвестников землетрясений определяющим фактором является изменение объемной деформации среды, влияющее на интенсивность и направление фильтрационных процессов. После дифференцирования и сложения соответствующих компонент объемная деформация геосреды с неоднородностью упругих свойств может быть найдена как (19) Преимуществом используемого подхода является запись итогового решения через объемные потенциалы и квазипотенциалы однородных тел. Использование соответствующих потенциалов для конкретной формы неоднородности позволяет сразу найти итоговое решение задачи о возмущении НДС упругого полупространства этой неоднородностью. В случае шаровой неоднородности, центр которой располагается в начале координат, потенциалы и квазипотенциалы определяются следующими выражениями: (20) где - объем неоднородности; - радиус неоднородности. Подставляя (20) в (19) с учетом правила переноса потенциалов и квазипотенциалов (26), получаем (21) где , , , выражения с индексом «i» имеют место только внутри неоднородности, а с индексом «e» только вне неоднородности. Для графического представления полученного решения воспользуемся параметрами сейсмического события и свойствами земной коры, указанными в [20] и [27, 28]. Сейсмическое событие магнитудой 5,2 произошло в октябре 2009 г. в районе Петропавловск-Камчатского геодинамического полигона, глубина залегания гипоцентра 10 км, радиус неоднородности, оцененный по магнитуде согласно [29], составил 2862 м. Принятые для расчетов свойства среды: плотность 2500 кг/м3, коэффициент Пуассона 0,25, модуль сдвига 20 ГПа, степень неоднородности На рис. 1 представлены изоповерхности объемной деформации для величин , , и . Положительная величина объемной деформации отражает режим относительного сжатия, тогда как отрицательная - режим относительного растяжения. Таким образом, из полученного решения видно, что распределение объемной деформации является осесимметричным относительно оси z (ввиду осевой симметрии задачи). Симметрия решения относительно плоскости , проходящей через центр неоднородности, отсутствует, что вызвано дневной поверхностью, свободной от напряжений. Вокруг шаровой неоднородности упругих свойств в изотропном упругом полупространстве формируются зона относительного сжатия (обозначена темно-серым цветом на рисунке), расположенная вокруг неоднородности, и зоны относительного растяжения (светло-серый цвет), расположенные над и под неоднородностью. Отличительной особенностью зон относительного растяжения является их предельный размер, тогда как размер зоны относительного сжатия растет при уменьшении величины объемной деформации. Наличие зоны относительного растяжения над гипоцентром сейсмического события было предсказано ранее в работе [30]. Необходимо отметить, что размеры возмущения НДС упругого полупространства шаровой неоднородностью упругих свойств, совпадающие с размерами области подготовки землетрясения или зоной проявления предвестников (которые согласно [18] определяются деформацией ), в случае действия только гравитационных сил достигают 190 км. Этот факт позволяет уже утверждать, что вклад гравитационных сил в общее возмущения НДС не является пренебрежительно малым. Рис. 1. Изоповерхности объемной деформации, вычисленной согласно (21), для величин деформации (а); (б); (в); (г) (положительная деформация (относительное сжатие) - тёмно-серый цвет, отрицательная деформация (относительное растяжение) - светло-серый цвет) Fig. 1. The isosurfaces of volumetric deformation, calculated according to (21), for the strain values (a); (b); (c); (d) (positive deformation (relative compression) - is shown in a dark gray color; negative deformation (relative tension) is shown in a light gray color Полученное решение (18) для случая отличных от нуля осевых компонент тензора является частным случаем решения задачи об упругом полупространстве с шаровой неоднородностью, полученным ранее в работе [20], здесь - тензорное поле, представляющее собой произведение вариаций упругих свойств в полупространстве с неоднородностью и частных производных по пространственным координатам ее функций Грина. 3. Шаровая неоднородность в упругом полупространстве при сдвиге в горизонтальной плоскости с учетом силы тяжести В случае действия на полупространство, помимо гравитационных сил, сил тектонической природы, вызванных движением и взаимодействием плит, решение задачи (13) сводится к дополнительному учету граничных условий для горизонтальных напряжений на бесконечности. Рассмотрим случай сдвига в горизонтальной плоскости, который для задач геодинамики и тектонофизики является широко распространенным. В случае сдвига в горизонтальной плоскости граничные условия могут быть записаны как (22) где - касательные напряжения на бесконечности. Тогда из соотношения (13) получаем (23) Видно, что решение в этом случае складывается из двух решений: отдельно для гравитационных сил (первое слагаемое) и касательных напряжений (второе слагаемое). Решение для случая сдвига в горизонтальной плоскости было рассмотрено ранее в работах [18, 20]. Согласно этому решению выражение для объемной деформации имеет вид (24) где , , , как и ранее, выражение с индексом «e» имеет место только вне неоднородности. Таким образом, решение задачи о возмущении напряженно-деформированного состояния упругого полупространства шаровой неоднородностью упругих свойств при сдвиге в горизонтальной плоскости с учетом сил тяжести задается суммой решений (21) и (24). Для оценки вклада гравитационных сил в общее возмущение НДС при сдвиге в горизонтальной плоскости на рис. 2 представлены изоповерхности объемной деформации в случае учета и неучета гравитации. В случае только сдвига в горизонтальной плоскости видно, что решение симметрично относительно двух биссекторных плоскостей октантов 5-7 и октантов 6-8. При этом между этими плоскостями решение в соседних октантах отличается только знаком. При добавлении в решении слагаемого, связанного с гравитационными силами, симметрия не нарушается, но нарушается равенство по модулю объемных деформаций в соседних октантах. Особенно необходимо подчеркнуть, что размеры и геометрия изоповерхностей объемной деформации при учете сил тяжести существенно меняется. В зависимости от направления оси максимального растяжения полупространства с неоднородностью происходит увеличение размеров зон относительного сжатия и соответствующее уменьшение размеров зон относительного растяжения с изменением формы обеих. Полученное решение для случая сдвига в горизонтальной плоскости с учетом гравитационных сил показало, что гипотеза о пренебрежении силами тяжести при прямом моделировании предвестниковых возмущений, когда зона формирующегося очага землетрясения представляется в виде неоднородности упругих свойств, несостоятельна. Рис. 2. Изоповерхности объемной деформации для величин деформации (а-б); (в-г); (д-е) при чистом сдвиге (а, в, д) и чистом сдвиге с учетом гравитационных сил (б, г, е) (положительная деформация (относительное сжатие) - тёмно-серый цвет, отрицательная деформация (относительное растяжение) - светло-серый цвет) Fig. 2. Surface deformation isosurfaces for strain values (а-b); (c-d); (e-f) under pure shear (а, c, e) and pure shear with the allowance for gravitational forces (b, d, f) (positive deformation (relative compression) is shown in a dark gray color, negative deformation (relative tension) is shown in a light gray color Выводы В работе рассмотрена задача о возмущении напряженно-деформированного состояния упругого полупространства шаровой неоднородностью упругих свойств при сдвиге в горизонтальной плоскости с учетом вклада в решение гравитационных сил. Получено аналитическое решение для компонент вектора перемещений отдельно для случая действия на полупространство только сил тяжести и для случая сдвига в горизонтальной плоскости с учетом сил тяжести. На основе этих решений получены выражения для нахождения объемной деформации полупространства в обоих случаях (соотношения (21) и сумма (21) и (24)). Показано, что в случае действия только сил тяжести объемная деформация среды имеет осевую симметрию (ось симметрии z) и разделяется на зону относительного сжатия и зоны относительного растяжения. Последние имеют предельные размеры и не увеличиваются при уменьшении величины объемной деформации. Для задачи сдвига в горизонтальной плоскости с учетом действия сил гравитации показано, что исходная симметрия распределения объемной деформации при сдвиге в горизонтальной плоскости в случае учета сил тяжести не меняется, существенно меняется форма и размеры зоны относительного сжатия/растяжения в зависимости от направления оси максимального растяжения. Полученные результаты указывают на то, что при моделировании предвестниковых возмущений полей различной природы, когда зона формирующегося очага землетрясения представляется в виде неоднородности упругих свойств, пренебрегать действием гравитационных сил нельзя ввиду их существенного влияния на размер и форму возмущения НДС среды.

About the authors

I A Panteleev

Institute of Continuous Media Mechanics

E V Poltavceva

Institute of Volcanology and Seismology Fat Eastern Brunch of Russian Academy of Science

V A Mubassarova

Research Station of Russian Academy of Science

V A Gavrilov

Institute of Volcanology and Seismology Fat Eastern Brunch of Russian Academy of Science

References

Statistics

Views

Abstract - 294

PDF (Russian) - 55