Источник: Источник: Шерман С.И. Поля напряжений земной коры и геолого-структурные методы их изучения / С.И. Шерман, Ю.И. Днепровский ; отв. ред. Ю.К. Щукин, АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т земной коры.--Новосибирск : Наука. сиб. отд-ние, 1989.--154с. : ил.
Тектонофизический подход к оценке напряженного состояния литосферы, земной коры в целом или ее тектонических областей требует соблюдения системного анализа. Несколько подробнее остановимся на тех методах, которые имеют прямое отношение к оценке региональных и локальных полей напряжений эндогенной и экзогенной природы.
Комплекс тектонофизических методов оценки напряженного состояния земной коры включает в себя: 1) теоретические (численные) расчетные; 2) геолого-структурные; 3) сейсмологические; 4) геофизические; 5) геодезические; 6) натурные измерения; 7) экспериментальные. Первая и третья разновидности методов дают общее соотношение векторов напряжений и позволяют построить эллипсоид напряжений, остальные связаны с измерением деформаций и их последующим пересчетом в напряжения.
Теоретические методы обладают, в принципе, неограниченными воз¬можностями. В геологии рамки их применения значительно сужены из-за ограниченного знания или неопределенности исходных параметров,а также из-за неоднородности геологической среды. Наиболее часто в расчетах используют методы конечных элементов интегральных уравнений. При этом в подавляющем большинстве случаев литосфера рассматривается как однородное линейно-упругое или линейно-вязкое тело. Решение задачи получается очень грубым и приближенным. Несмотря на недостаточные наши знания о состоянии и реологических свойствах вещества литосферы, мы уверены в изменении вязкости вещества с глубиной, которое взаимосвязано с давлением и температурой. А. С. Григорьев [1979 предложил два способа определения напряжений и деформаций в литосфере с учетом изменения вязкости с глубиной. Решение им дано для определения безразмерных напряжений и скоростей смещений в неоднородном линейно-вязком теле.
Теоретические методы расчета могут быть применимы для любых типов полей напряжений — от локальных до планетарных. Их лучше использовать для мелкомасштабных тектонофизических построений.
Геолого-структурные методы базируются на изучении деформационных структур (мелких складок, будинажа, деформированных оолитов, гальки, трещин) и решении обратной задачи по реконструкции ориентировки векторов главных нормальных напряжений. Методические приемы решения обратных задач по реконструкции поля напряжений разработаны М. В. Гзовским, О. И. Гущенко, П. Н. Николаевым, Л. Д. Парфеновым, Ж. Анжелье и др. В зависимости от масштабов геологических структур, вовлеченных в анализ, реконструируются поля напряжений разного иерархического уровня. Это весьма ценное свойство метода, разрешающее его применение на больших площадях и в районах с разными геодинамическими режимами. Метод реконструирует долговременную усредненную ориентировку векторов напряжений, что в геодинамическом плане выгодно отличает его от некоторых инструментальных аналогов. С. И. Шерман и Ю. И. Днепровский [1986] показали, что для региональных полей напряжений практически в равной мере могут использоваться сейсмологические (анализ механизмов очагов землетрясении) и геолого-структурные методы.
М. В. Гзовский и другие исследователи установили, что в ряде районов величина градиента скоростей неотектонических движений пропорциональна величине напряжений. Бели положить эти выводы в основу рабочих представлений, можно составить карты напряженного состояния коры достаточно больших территорий континентов. Особенно ценными подобные карты могут оказаться для горно-складчатых областей с высокой сейсмической активностью.
Редко для качественной оценки и реконструкции локальных полей напряжении используется микроструктурный анализ. Метод времяемкий, неэффективный. Авторам неизвестны тектонофизические исследования, которые бы опирались на микроструктурные построения.
В целом гео лого-структурные методы рекомендуется широко использовать для оценки ориентировки главных векторов тектонических напряжений регионального иерархического уровня. "
Сейсмологические методы широко распространены во всем мире для определения главных векторов поля напряжений. В их основе лежит анализ механизмов очагов землетрясений и определение квадрантов сжатия и растяжения по первым вступлениям волн. Достоинство методов — инструментальное получение исходных данных, их быстрая обработка и бесспорная временная прививка, а также способность оценить напряжения по всему вертикальному разрезу сейсмоактивного слоя. Недостатки — характеристика мгновенной картины полей напряжений, которую мы можем дать только для сейсмоактивных""районов.
Напряжения в земной норе изучаются и методами разведочной физики, к которым прежде всего относятся сейсмические и сейсмоакустический. Первые основаны на исследовании зависимости скорости распространения продольных и поперечных волн и их затухания от напряжений,которые определяются экспериментально. База измерений — до километров. Метод может быть использован для оценки регионального и локального полей напряжений. Результаты интерпретации наблюдений оценки поля напряжения неоднозначны из-за влияния структурных, литолого-петрографических и других неоднородностен на скорости прохождения волн.
Сейсмоакустический метод основан на зависимости скорости прохождения волн звукового диапазона частот от напряженного состояния среды. Оценивая разную скорость прохождения волн от источника излучения в разных направлениях, можно построить индикатрису скоростей, которая и будет отражать эллипсоид напряжений. Метод пригоден для оценки локального поля напряжений. Широкого применения не имеет.
Для оценки регионального и локального полей напряжений широко используются геодезические методы, позволяющие определять деформации (движения) земной коры за различные интервалы времени, но чаще всего за период от первых до десятков лет. База измерений может изменяться в широких пределах — от сотен метров до десятков и сотен километров. Поэтому геодезические методы пригодны для оценки регионального н локального полей наггряжений. Они особенно ценны для определения нолей напряжений экзогенной природы, преимущественно вызванных! антропогенными и техногенными причинами. Из геодезических методов изучения движений земной коры наиболее приемлемы трилатерационные измерения, нивелирование, наклонные измерения. Теоретические основы использования геодезических данных для тектонофизического анализа разработаны Н. П. Есиковым [1979].
Геодезические методы исследуют деформации на поверхности Земли или ее верхних горизонтов отражающих более глубинные процессы и движения, в которые вовлечены средние и глубокие слои коры. Поэтому использовать «геодезические» деформации для оценки напряженного состояния коры не всегда возможно. Во всех случаях необходимо оговаривать доверительные интервалы и методиче¬ские возможности применяемых геодезических методов.
Наконец, большой авторитет в последнее десятилетие приобрели натурные измерения напряженного состояния горных пород. Толчком к активизации различных способов натурных измерений явились работ» Н. Хаста, опубликованные в конце 50-х — начале 60-х годов. В наше® стране активным пропагандистом использования результатов натурные измерепий в геодинамике выступает П. Н. Кропоткин [Напряженное состояние..., 1973; и др.]. Такое стремление понятно, так как натурные измерения являются прямыми (точнее, наиболее прямыми) методами, в результате применения которых мы получаем абсолютные значения деформаций горных пород.
В настоящее время наиболее распространены три метода натур измерений: деформографпческий, дискования кернов и способ разгрузки. Они разработаны для конкретных задач горной промышленности и применяются в горном деле.
В деформографическом методе, точнее — способе, используются скважинные и кварцевые деформографы для измерения деформаций. Ориентируя деформограф по сторонам света, можно измерить деформации по трем взаимно перпендикулярным направлениям и соответственно оценить тензор напряжений в точке. С помощью деформографов можно вести постоянные наблюдения за изменением деформации, В этом их громадное преимущество по отношению ко всем другим методам натурных измерений.
Способ разгрузки для оценки напряжений в горном массиве используется очень давно. Это времяемкий и дорогой способ, но разработан он в совершенстве. Метод разгрузки дает возможность определить остаточные упругие деформации в породе после ее разгрузки и тем самым оценить избыточные напряжения. Они оцениваются преимущественно по двум направлениям. Для определения тензора напряжений объем работ существенно возрастает.
Считается, что в ближайшие годы перспективным, для оценки напряженного состояния явится метод гидроразрыва [Иванов, 1982]. По нашему мнению, метод позволит прежде всего оценить прочностные характеристики горных пород в массиве,что само по себе чрезвычайно важно. Поле напряжений по ориентировкам его трех главных векторов методом гидрораэрыва можно оценить весьма приближенно.
Все методы, связанные с натурными измерениями, оценивают только локальные поля напряжений для конкретного, т. е. настоящего, времени. В этом их большое достоинство, хорошо используемое в горном деле глав¬ным образом для прогноза горных ударов и ослабленных зон.
В геодинамических построениях нам необходим большой объем локальных полей для характеристики значительных площадей, а в идеале — объемов, чтобы получить региональные поля напряжений. Современной состояние всех способов натурных измерений (особенно технические трудности и дороговизна методов в целом) не позволяет надеяться, что в ближайшее десятилетие мы сможем широко в площадном масштабе (а о глубине говорить вообще пока трудно) применять эти методы. Для геодинамических построений натурные наблюдения дают очень важную величину абсолютного значения напряжений в конкретной точке. При этом практически однозначно констатируется по наблюдениям во многих рай¬онах мира преобладание горизонтального вектора составляющей ноля напряжений над вертикальным. Практически повсеместно регистрируется горизонтальное сжатие верхних частей земной коры [Напряженное со¬стояние..., 1973]. Глобальные выводы по разрезу коры, особенно для зон с рифтовым (спрединговым) режимом развития, пока делать рано, так как прямые натурные измерения по глубине не превышают 3 км. Экстраполяция данных на большие глубины, учитывая изменение реологии среды, представляется пока не обоснованпой.
Заключая в целом описание полевых тектонофизических методов, которые рекомендуется использовать при изучении напряженного состояния литосферы, необходимо акцентировать внимание на их комплексности и дополнительности. Сейчас неправильно было бы рекомендовать один какой-нибудь приоритетный метод. Геодинамика литосферы — комплексное понятие, в которое вкладывается сложное сочетание одновременно происходящих в литосфере механических движений и физико-химических преобразований вещества. Изучить их можно только комплексным сочетанием разных методов, каждый из которых имеет свою «чувствительность» и разрешающую способность, а все вместе дополняют друг друга для получения интегральной картины. С сожалением необходимо констатировать, что методология комплексировапия различных методов для оценки региональных и локальных полей напряжений в настоящее время только разрабатывается.