ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ФРАГМЕНТА ЗЕМНОЙ КОРЫ
advertisement
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ФРАГМЕНТА ЗЕМНОЙ КОРЫ БЛОЧНОЙ СТРУКТУРЫ А.А. Татаурова 1,2, Ю.П. Стефанов 1 12- Институт нефтегазофой геологии и геофизики, Новосибирск, ant07@nm.ru Новосибирский государственный университет, Новосибирск ВВЕДЕНИЕ Работа посвящена изучению современных полей напряженно-деформированного состояния, которые действуют внутри земной коры. Расчеты проводились при использовании явной конечноразностной схемы. Особое внимание в работе уделяется исследованию численной модели позволяющей описать процессы деформации в геологической среде за пределами упругости. Исследование деформированного состояния земной коры на сегодняшний момент являются актуальной задачей, так как информация о состоянии земных недр полезна для решения фундаментальных задач при изучении тектонических процессов и поведения геологических структур, а также эти данные используются при решении прикладных геологических и инженерных задачах. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ При изучении тектонофизических процессов и объяснении их различных проявлений в деформации земной коры возникает необходимость учета и анализа влияния неоднородности вещественного состава и прочностных свойств земной коры [Гольдин и др., 2006]. С этой целью в работе выполнено исследование влияния неоднородностей и упругопластических свойств на напряженно-деформированное состояние модельного фрагмента земной коры блочной структуры, находящегося под действием силы тяжести. В рамках исследования рассмотрен ряд задач о влиянии закона изменения прочности с глубиной и латеральной неоднородности, а также последовательности нагружения и изменения свойств с течением времени. В ходе исследования выполнен анализ напряженно-деформированного состояния, вертикальных и горизонтальных смещений, которые возникают на разных этапах нагружения: при приложении силы тяжести и изменении прочностных свойств в отдельных блоках. Моделирование процессов деформации выполнено в двумерной постановке для условий плоской деформации. Для этого численно решалась система уравнений механики в динамической постановке для упругопластической среды. Была использована модифицированная модель ДруккераПрагера-Николаевского [Стефанов, 2002]. Значения коэффициентов подбирались таким образом, чтобы значения эффективной прочности удовлетворяли заданному закону изменения прочности с глубиной [Гольдин и др., 2006]. Метод исследования – численное решение уравнений механики сплошной среды при помощи явной конечно-разностной схемы [Wilkins, 1999]. Результаты расчетов показали, что пластическая деформация в блоках пониженной прочности приводит к изменению распределения напряжений, в результате которых в окружающей среде возникают деформации. Во вмещающей среде пластическая деформация возникает лишь в нижних блоках. Величина этих деформаций определяется упругопластическими свойствами окружающей среды и ее геометрией, а также условиями нагружения. В условиях отсутствия горизонтальных смещений на границах рассматриваемого фрагмента земной коры пластическая деформация блока приводит к его расширению и уменьшению толщины. В пластическом и ниже лежащем блоке возрастает давление, тогда как над ним наблюдается разрежение (рис.1). В результате над блоком возникают вертикальные смещения, которые достигают поверхности и меняют рельеф (рис.2). Величина погружения поверхности и рельеф в целом зависят от глубины, на которой происходит пластическая деформация и масштабов этого процесса. Таким образом, в результате расчетов деформации для заданной модели получено формирование прогиба поверхности земной коры. При рассмотрении поведения среды c другим распределением прочности (рис. 3б), а именно при ее снижении во всем рассматриваемом массиве, пластическая деформация возникает во всех слоях. Интенсивное развитие деформации в центральных блоках связано с более низкими значениями прочности. В этом случае изолинии пластических деформаций имеют более сложный вид (рис. 3а) и процесс пластической деформации захватывает практически весь объем исследуемой среды. Наибольшая деформация развивается вблизи краев блоков, на изолиниях четко выделяются два максимума. Величина пластической деформации в центральных частях блоков имеет более низкие значения. Рис. 1 Давления (Мпа) во фрагменте коры вокруг пластического блока. а б Рис. 2. а) Сдвиговая пластическая деформация (%), пунктиром отмечены границы блоков. б) Закон изменения прочности с глубиной, пунктиром отмечена прочность в ослабленном блоке. Подъем поверхности над пластическим блоком наблюдается при наличии бокового сжатия. Для этого необходимо, чтобы горизонтальные напряжения были выше вертикальных. Влияние плотностных неоднородностей становится заметным при пластическом состоянии среды. Такая схема, вероятно, характерна при горообразовании. а б Рис. 3 а) Сдвиговая пластическая деформация (%), значение прочности уменьшается для всего массива. Пунктиром отмечены границы блоков. б) Закон изменения прочности с глубиной. Пунктиром отмечена прочность для центральных блоков, сплошной линией – прочность для вмещающей среды. ВЫВОДЫ В работе выполнено исследование по изучению напряженно-деформированного состояние земной коры, представленной блочной структурой с учетом влияния неоднородностей и упругопластических свойств при различных видах нагружения. Было установлено, что пластическая деформация в блоках пониженной прочности приводит к изменению распределения напряжений, в результате которых в окружающей среде возникают деформации. При этом перераспределение деформаций зависит от положения блока с пониженной прочностью в пространстве. Преимущественно пластичность возникает в нижних слоях среды окружающей среды и под блоком с пониженной прочностью, в то время как в вышележащих слоях фиксируется разрежение. Таким образом, величина деформаций зависит от упругопластических свойств окружающей среды, ее геометрии, а также условиями нагружения. При этом, чем ниже значение прочности, тем более интенсивно проявляет себя пластическая деформация в окружающей среде. Максимальные значения деформаций проявляются в менее плотных породах вблизи вертикальных границ блоков. Анализ упругопластических деформаций и смещений, возникающих на различных этапах нагружения, позволяет предположить, что пластические процессы деформирования могут влиять на геологические процессы, которые проявляются на поверхности земли, и выражаются в виде изменения рельефа, формируя прогибы или горы. ЛИТЕРАТУРА Гольдин С.В., Суворов В.Д., Макаров П.В., Стефанов Ю.П. Структура и напряженнодеформированное состояние литосферы Байкальской рифтовой зоны в модели гравитационной неустойчивости // Геология и геофизика. 2006. Т. 47. № 10. С. 1094-1105 Стефанов Ю.П. Локализация деформации и разрушение в геоматериалах. Численное моделирование // Физ. мезомех. 2002. № 5. С. 107–118. Wilkins M.L. Computer Simulation of Dynamic Phenomena. Berlin–Heidelberg–New York: SpringerVerlag. 1999. 246 p.
