CC BY
15
GEODYNAMICS & TECTONOPHYSICS
Published by the Institute of the Earth's Crust, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
TECTONOPHYSICS
2021 VOLUME 12 ISSUE 3 PAGES 499-507 ISSN 2078-502X
DOI: 10.5800/GT-2021-12-3-0536
STRESS FIELD IN A SHEAR ZONE, AND FORMATION OF THE MAIN FAULT
A.S. Lermontova © ^
Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, 10-1 Bolshaya Gruzinskaya St, Moscow 123242, Russia
ABSTRACT. Using the analytical approximation method, we calculated stress field parameters for cases with different relative positions of Riedel shears and loads required for shearing. Considering an internal friction angle of 30°, and the distance between adjacent shears exceeding 0.7 of the characteristic shear length, we estimated the Coulomb stress that can lead to fracturing. In the areas between the shears, it is below the shear strength value. This means that if an increase in the external load is lacking, there are no prerequisites for the formation of new fractures that may connect adjacent shears. If the shears are spaced closer to each other (i.e. at distances less than 0.7 of the shear length), the shear strength is exceeded in the areas between them, and new shears can occur there and connect the Riedel shears to each other. Therefore, in observations of a natural system of Riedel shears, it becomes possible to assess whether this system is sufficiently stable in its current status, or, in case of a critical increase in the Coulomb stress in the areas between adjacent shears, the equilibrium can be easily disturbed, and there is a possibility that the main fault forms in the strike-slip zone under study.
KEYWORDS: Coulomb stress; shear strength; second-order structures; system of subparallel shears; shear zone; secondary dislocations
FUNDING: The study was carried out under the state assignment of IPE RAS.
SHORT COMMUNICATION
Correspondence: Anastasia S. Lermontova, [email protected]
Received: March 16, 2020 Revised: January 15, 2021 Accepted: January 21, 2021
FOR CITATION: Lermontova A.S., 2021. Stress field in a shear zone, and formation of the main fault. Geodynamics & Tectonophysics 12 (3), 499-507. doi:10.5800/GT-2021-12-3-0536
ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ ВНУТРИ ЗОНЫ СДВИГА И ОБРАЗОВАНИЕ МАГИСТРАЛЬНОГО РАЗЛОМА
А.С. Лермонтова
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, 10, стр. 1, Россия
АННОТАЦИЯ. При помощи приближенного аналитического метода проведены расчеты параметров напряженного состояния массива для разных вариантов взаимного расположения сколов Риделя при нагрузке, необходимой для образования этих сколов. Результаты вычислений при значении угла внутреннего трения 30° показывают, что при расстоянии между соседними сколами, превышающем 0.7 характерной длины скола, куло-новское напряжение, отвечающее за разрушение материала, в промежутках между сколами оказывается ниже предела прочности. Это означает, что без увеличения внешней нагрузки отсутствуют предпосылки для образования новых нарушений, соединяющих соседние сколы. Если же сколы расположены ближе друг к другу, чем 0.7 длины скола, то на участках массива между ними превышен предел прочности. Соответственно, там должны возникнуть новые сколы, соединяющие сколы Риделя между собой. Таким образом, при наблюдении природной системы сколов Риделя появляется возможность оценить, является ли эта система достаточно устойчивой в ее текущем виде, или же, ввиду критического повышения кулоновского напряжения в участках массива между соседними сколами, равновесие может быть легко нарушено, и в изучаемой сдвиговой зоне образуется магистральный разлом.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Кулоновское напряжение; предел прочности; структуры второго порядка; система субпараллельных сколов; сдвиговая зона; вторичные нарушения
ФИНАНСИРОВАНИЕ: Работа выполнена в рамках госзадания ИФЗ РАН.
1. ВВЕДЕНИЕ
В горных породах под действием сдвиговых нагрузок формируется сдвиговая зона - относительно узкая полоса материала, в которой происходят основные деформации. Поскольку в большинстве случаев сдвиговые зоны образуются в регулярном поле напряжений, они прямолинейны и ориентированы параллельно направлению максимального касательного напряжения, т.е. под углом 45° к осям главных нормальных напряжений о1 и а3 (примем а3 за ось максимального сжатия, ^3<0). Сдвиговая зона проявляется в виде характерных структур меньшего масштабного уровня, «структур второго порядка» [Stoyanov, 1977; Gin-^^ 2005].
Следует заметить, что термин «сдвиг» можно понимать как в «механическом» смысле, противопоставляя его отрывному нарушению, так и в более узком геологическом, отличая его от сбросов, надвигов и шарьяжей. В настоящей работе подразумевается сдвиг в механическом значении, поскольку перераспределение напряжений, вызванное смещением примыкающих блоков вдоль их общей границы, не зависит от наличия в этом смещении вертикальной составляющей. Вычисления параметров напряженного состояния в дальнейшем проводятся в рамках плоской задачи теории упругости, в плоскости, перпендикулярной сместителю и параллельной направлению основного сдвига. Для удобства восприятия в дальнейшем без ограничения общности будем говорить о сдвигах с вертикальным сместите-лем, рассматриваемым в плане.
Принято различать следующие виды структур второго порядка: 1) ¿-сколы, параллельные направлению
основного сдвигания в зоне; 2) Д-сколы (сколы Риделя),
п ^
ориентированные под углом 4 - — к направлению основного сдвигания в зоне, при правом сдвиге с отклонением вправо от этого направления, а при левом - влево; 3) Д'-сколы (сопряженные сколы Риделя), ориентиро-
п ^
ванные под углом — + ^ к направлению основного сдвигания в зоне, с отклонением в ту же сторону, что и Д-ско-лы; 4) Р-сколы, ориентированные под углом 4 к н к направлению основного сдвигания в зоне, при правом сдвиге с отклонением влево от этого направления, а при левом - вправо; 5) трещины отрыва Т, ориентированные под углом 4 к н аправлению основного сдвигания в зоне, с отклонением в ту же сторону, что и Д-ско-лы; 6) осевые линии складок Р, ориентированные под углом 4 к направлению основного сдвигания в зоне, с отклонением в ту же сторону, что и Р-сколы [Stoya-1977].
Согласно экспериментальным данным, по мере развития сдвиговой зоны в условиях внешнего сжатия структуры возникают в следующем порядке [Tchalenko, 1968]: сначала почти одновременно появляются Д-ско-лы и Д'-сколы; затем Д-сколы соединяются вновь возникающими Р-сколами; наконец, преимущественно в результате некоторого разворота уже существовавших Д и Р-сколов формируются ¿-сколы в направлении основного сдвига. Последние в дальнейшем составляют магистральный разлом.
Сопряженные сколы Д' перестают развиваться вскоре после возникновения. По-видимому, так происходит из-за неблагоприятного изменения соотношения нормальных и касательных напряжений на них по мере развития зоны сдвига [Rebetsky et al., 2008; Goncharov
et al., 2014]. Это наблюдение позволяет предположить, что смещения по R'-сколам в большинстве случаев невелики и их вклад в изменение напряженного состояния незначителен. Их влияние остается за рамками настоящей работы.
Замечателен тот факт, что описанная последовательность развития зоны сдвига «сколы Риделя - Р-сколы -L-сколы» встречается практически на любом масштабном уровне - от микроуровня, когда в экспериментах на сдвиговом приборе (shear box) общая амплитуда сдвига не превышает первых миллиметров, до регионального уровня разломов крупных землетрясений. В работе [Tchalenko, 1970] подробно сравниваются стадии развития сдвиговых зон разных масштабов. Автор указывает, что в природных условиях практически никогда не представляется возможным непосредственно наблюдать развитие сдвиговой зоны от ее зарождения, однако в большинстве случаев текущее состояние той или иной природной зоны сдвига аналогично одной из стадий сдвигового процесса в эксперименте. Сколы R и Р принято называть «опережающими», поскольку их появление, как правило, предшествует возникновению магистрального разлома [Seminsky, 2003]. Проявление в природных массивах характерных для зон сдвигания структур второго порядка считается надежным признаком сдвиговой деформации (например [Cunningham, 1993]).
Описанные выше черты касаются исключительно приповерхностного строения сдвиговых зон. Исследования глубинной структуры - натурные [Gogonenkov et al., 2007], экспериментальные [Bornyakov, 1981; Naylor et al., 1986; Mikhailova, 2007] и численные [Stefanov, Bakeev, 2015] - показывают, что зоны сдвигания имеют сложное трехмерное строение («цветковые», «пропеллерные» структуры). В зонах сдвига распространены системы горизонтальных трещин, дополнительные к системам сколов R и R' [Seminsky, 2003]. Имеются данные о существовании напряжений горизонтального сдвига вдоль горизонтальной плоскости [Koronovsky et al., 2009]. Однако аппарат, применяемый в настоящей работе, к сожалению, не позволяет «заглянуть в глубь» сдвиговой зоны, поэтому дальнейшие рассуждения, строго говоря, справедливы только в приповерхностном слое, где сколы почти вертикальны.
Целью настоящей работы является качественное изучение напряженного состояния непосредственно в зоне сдвига на стадии образования первичных R-ско-лов. При наблюдении природных систем сколов исследователи отмечают, что в некоторых случаях по мере развития сдвиговой зоны субпараллельные трещины объединяются в магистральный разлом, а в некоторых - нет. Анализ локального поля напряжений позволяет понять, почему при одинаковой нагрузке системы сколов, характеризующихся разным взаимным расположением, развиваются по-разному. Понимание причин такого различия тесным образом связано с оценкой опасности сдвиговой разломной зоны, проявляющей себя в виде структур второго порядка.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДЛЯ РАСЧЕТА КОМПОНЕНТ ТЕНЗОРА НАПРЯЖЕНИЙ
При проведении экспериментов исследователи, как правило, предполагают, что сухой кварцевый песок и другие зернистые материалы подчиняются эмпирическому критерию прочности Кулона, согласно которому разрушение материала наступает, когда в результате изменения нагрузки и/или свойств материала в некоторой точке возникает площадка Бп с нормалью п, на которой касательное напряжение тп и нормальное напряжение оп достигают соотношения
КИ/^ (1)
где ту - прочность породы на сдвиг, к - коэффициент внутреннего трения породы, ап<0; при этом к=Щф, где ф -угол внутреннего трения деформируемого материала.
Критерий Кулона (1) определяет ориентацию двух потенциальных площадок скалывания. Действительно, если воспользоваться таким параметром, как куло-новское напряжение тс, определяемое по формуле
тН^^ (2)
то соотношение (1) в первую очередь будет достигнуто на тех площадках, на которых кулоновское напряжение тс принимает максимальное значение в данной точке. Представив тс как функцию угла а, отсчитываемого от оси максимального сжатия а3 в плоскости, нормальной промежуточному главному напряжению о2, нетрудно установить, что максимальное значение функция тс(а) принимает при а=а1 , когда
2аи=±(90°-ф). (3)
Зависимость (3) объясняет ориентацию сколов Я и Я' в зонах сдвига. Знак «+» отвечает за возникновение сколов Я', знак «-» задает направление сколов Я. Т. е. во-первых, существуют плоскости, ориентированные к зоне сдвигания (расположенной под углом 45° к оси под углом в1=45°+а1, что соответствует ориентировкам сколов Я'. Во-вторых, существуют плоскости, ориентированные к зоне сдвигания под углом в2=45°+а2, что соответствует ориентировкам сколов Я (рис. 1).
При неоднородном напряженном состоянии ориентация главных осей тензора напряжений отличается в разных точках. Это означает, что в каждой точке возможно свое направление площадок скалывания, на которых кулоновское напряжение т, определяемое по формуле (2), принимает максимальное значение.
Пусть в плоскости, ортогональной оси промежуточного главного напряжения о2, заданы направления главных напряжений о1 и о3; обозначим:
а + а ал — а = —--, Т = —-3.
2 2
Пусть зона сдвига ориентирована под углом 45° к оси а3. Предположим, что угол внутреннего трения рассматриваемого материала составляет ф=30°. Тогда коэффициент внутреннего трения примет значение к=£30°~0.577. Согласно формуле (3), плоскости максимального кулоновского напряжения при сжимающей
R-сколы
Рис. 1. Углы наклонов сколов Риделя R и сопряженных сколов Риделя R' (пояснения в тексте).
Fig. 1. Orientations of R-shears and conjugated R'-shears. Expiations in text.
расположение изолиний) при одинаковой геометрии системы сколов зависит не от конкретных значений, а от соотношения внешних главных напряжений и предела прочности материала, т.е. при сохранении этих соотношений останется неизменным и ответ на вопрос о расположенности системы к развитию магистрального разлома.
Расчеты тензора напряжений производились по приближенному аналитическому методу для упругих двумерных массивов, содержащих совокупность сколовых трещин [Lermontova, Rebetsky, 2012]. Метод основан на применении комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили. Последние достаточно часто используются при изучении систем трещин, однако большинство исследований посвящены не вычислению поля напряжений в трещиноватом массиве, а поиску коэффициентов интенсивности напряжений в концах трещин и вопросу возможности их прорастания. В частности, в работе [Sherman et al., 1991] анализируется активность сдвиговой зоны по коэффициентам интенсивности напряжений на концах содержащихся в ней разрывов.
Рис. 2. Схема задачи. Ось основного сдвига обозначена толстым серым пунктиром. Сплошные черные линии показывают заданное расположение Д-сколов.
Fig. 2. Scheme for calculations. Thick dashed grey line - bulk shear; black lines - prescribed Д-shears.
нагрузке будут располагаться под углами 15 и 75° к направлению зоны сдвига.
Зададим расположение будущих Д-сколов условной длины 2 под углами у.=15°+£., где / обозначает номер скола, а £принимает случайные значения от -2 до 2° для имитации естественного разброса углов в неидеально однородном материале. Расстояние между серединами сколов обозначим буквой й (рис. 2).
Предположим, что прочность породы на сдвиг составляет т = к ~0.29. Тогда при равномерной нагрузке ст3=-2.5, ст1=-0.5 (единицы измерения не указаны, так как все значения напряжений нормированы на некоторую величину, условно принятую за 1) на площадках, ориентированных под углом 15° к зоне сдвига, окажется выполнено соотношение (1), и значит, произойдет активизация сколов.
Поясним, что параметры нагружения для расчетов были выбраны из соображений наглядности визуализации результатов. Разнообразие природных ситуаций слишком велико, чтобы можно было охватить их в рамках одной работы. Однако следует отметить, что качественная картина поля напряжений (т.е. форма и
3. ЛОКАЛЬНОЕ ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИИ В СДВИГОВОЙ зоне после активизации ПЕРВИЧНЫХ Д-СКОЛОВ
На рис. 3, 4, 5, 6, 7 показаны параметры напряженного состояния массивов, содержащих одновременно активизированные трещины.
В контексте вопроса об объединении трещин в магистральный разлом среди всех параметров напряженного состояния в первую очередь представляет инте-
max
рес максимальное кулоновское напряжение т c , поскольку именно оно отвечает за дальнейшее развитие разрушения в сдвиговой зоне. Красная изолиния пока-
max
зывает пороговый уровень т c =Tf (предел прочности, он же начальное значение кулоновского напряжения), также она отмечена на цветовой шкале.
Показаны варианты напряженного состояния для различных случаев расстояния между трещинами d, отнесенного к полудлине трещины 1 (длина всех трещин предполагается одинаковой и равными 21=2).
На рис. 3 и 4, а, видно, что в случае, когда расстояния между трещинами превышают 1.4 полудлины трещины, в промежутках возникают «запирающие» участки, на которых максимальное кулоновское напряжение ниже критического, и, следовательно, разрушение в них невозможно. По распределению сжимающих напряжений на площадках скалывания оп (рис. 4, б) и касательных напряжений на площадках скалывания тп (рис. 4, в) можно увидеть, что такая ситуация складывается именно из-за значительного возрастания сжатия в промежутках между трещинами (зеленый цвет на рис. 4, б), преобладающего над возрастанием касательных напряжений (умноженных на коэффициент внутреннего трения согласно формуле (2)) на площадках скалывания. Синяя изолиния на рис. 4, б, и цветовой шкале соответствует значению нормального напряжения
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Рис. 3. Максимальное кулоновское напряжение тmax. Расстояние между центрами трещин равно длине трещины. Начальное напряженное состояние о=-1.5, т=1. Начальное сжатие под углом 45°.
Fig. 3. Maximum Coulomb stress т max. Distance between the centers of adjacent R-shears, d=2l (where l is half-length of the shear). Initial stress state, о=-1.5; т=1; initial compression, о 0 at the angle of 45° to the bulk shear direction.
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
(а)
(б)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
m , M ,
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Рис. 4. Расстояние между центрами трещин 1.5 полудлины трещины. Начальное напряженное состояние о=-1.5, т=1. Начальное сжатие под углом 45°.
(а) - максимальное кулоновское напряжение тЦ13*; (б) - нормальное напряжение на площадках скалывания оп; (в) - касательное напряжение на площадках скалывания тп.
Fig. 4. Distance between the centers of adjacent Д-shears, d=1.51 (where 1 is half-length of the shear). Initial stress state, о=-1.5; т=1; initial compression, о 3 at the angle of 45° to the bulk shear direction.
(а) - maximum Coulomb stress, тЦ13*; (б) - normal stress on shearing planes, оп; (в) - shear stress on shearing planes, тп.
(в)
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
5
4
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Р1.Ч , M
Рис. 5. Максимальное кулоновское напряжение т^. Расстояние между центрами трещин 1.4 полудлины трещины. Начальное напряженное состояние о=-1.5, т=1. Начальное сжатие под углом 45°.
Fig. 5. Maximum Coulomb stress, т max. Distance between the centers of adjacent ^-shears, d=1.4l (where l is half-length of the shear). Initial stress state, о=-1.5; т=1; initial compression, о 0 at the angle of 45° to the bulk shear direction.
-6 -4 -2 0 2 4 6
wiw ,
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Рис. 6. Максимальное кулоновское напряжение т max. Расстояние между центрами трещин 1.3 полудлины трещины. Начальное напряженное состояние о=-1.5, т=1. Начальное сжатие под углом 45°.
Fig. 6. Maximum Coulomb stress, т max. Distance between the centers of adjacent ^-shears, d=1.3l (where / is half-length of the shear). Initial stress state, о=-1.5; т=1; initial compression, о 3 at the angle of 45° to the bulk shear direction.
Рис. 7. Максимальное кулоновское напряжение т max. Расстояние между центрами трещин равно полудлине трещины. Начальное напряженное состояние о=-1.5, т=1. Начальное сжатие под углом 45°.
Fig. 7. Maximum Coulomb stress, т тах. Distance between the centers of adjacent ^-shears, d=l (where / is half-length of the shear). Initial stress state, о=-1.5; т=1; initial compression, о 3 at the angle of 45° to the bulk shear direction.
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
на площадках скалывания в начальном напряженном состоянии; оранжевая линия на рис. 4, в, - начальному значению касательного напряжения на площадках скалывания до активизации сколов.
Противоположная картина наблюдается на рис. 5, 6, 7. При расстояниях между трещинами менее 1.4 длины трещины соединены участками повышенного мак-
тах
симального кулоновского напряжения тс . Значит, по этим участкам как раз пройдут вторичные нарушения, соединяющие начальные трещины в один магистральный разлом.
Таким образом, можно сделать вывод, что в случае, когда нагрузка остается на том же уровне, при котором в зоне сдвигания было достигнуто критическое значение максимального кулоновского напряжения и возникли первичные сколы, объединение последних происходит, если расстояние между соседними трещинами не превышает приблизительно 1.4 полудлины трещины, и не происходит, если это расстояние больше.
4. ПРОГНОЗ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СОЕДИНЯЮЩИХ НАРУШЕНИЙ
Чтобы понять, каким образом будут расположены вторичные нарушения между соседними трещинами, рассмотрим, как внутри участка повышенного кулоновского напряжения после активизации й-сколов ориентированы оси главных напряжений.
На рис. 8 видно, что внутри участка повышенных максимальных касательных напряжений между соседними трещинами ось максимального сжатия располагается преимущественно под углом около 20° к направлению зоны сдвига (что подтверждает предположение относительно локального направления оси максимального сжатия [ТсЬа1епко, 1968; Ыау1ог е! а1.,
1986; Боо1еу, БсЬгеигз, 2012]). Эта информация позволяет объяснить расположение Р-сколов, возникающих, согласно экспериментальным данным, на следующей стадии развития сдвиговой зоны.
Как видно из рис. 8, смещение бортов соседних й-ско-лов вызывает локальный поворот оси максимального сжатия примерно на 25° по часовой стрелке, т.е. при начальном максимальном сжатии а3, ориентированном под углом 45° к оси основного сдвига (красный цвет на рис. 8), локально после активизации й-сколов оказывается ориентированным под углом около 20° к оси основного сдвига (желтый цвет на рис. 8). Ее новое направление а 3 показано на рис. 9 стрелками оранжевого цвета. Таким образом, локально меняется и направление максимальных касательных напряжений (фиолетовая линия на рис. 9), которое до активизации й-ско-лов везде совпадало с направлением основного сдвига, а после составляет с ним -25° (положительным считается поворот против часовой стрелки) на рассматриваемом участке. Следовательно, новое й-направление также окажется повернутым приблизительно на 25° по часовой стрелке, т.е. составит -10° с направлением оси основного сдвига (рис. 9, красная линия). А это, напомним, и есть направление Р-сколов.
Таким образом, приходим к следующему выводу: Р-сколы, возникающие в экспериментальных и природных зонах сдвигания после активизации й-сколов, могут быть квалифицированы, как такие же й-сколы, но при новой ориентации главных осей локального поля напряжений. Образование Р-сколов также подчиняется теории прочности Кулона-Мора, указывающей, на какой угол площадки скалывания должны отклоняться от направления максимального сжатия.
По аналогии можно было бы ожидать также возникновения «сопряженных Р-сколов» - сопряженных
(а) 6
(б)
80 -60 -40
20
20 40 60 80
Рис. 8. Угол наклона локальной оси максимального сжатия к направлению основного сдвига. Расстояние между центрами трещин 1.3/: (а) - вся область расчета; (б) - участок в прямоугольнике более крупно.
Fig. 8. Angle between the local axis of maximum compression and the bulk shear direction. Distance between the centers of adjacent ^-shears, d=1.3/. (а) - entire calculation zone; (б) - zoomed-in box.
Рис. 9. Расположение новой локальной оси максимального сжатия (оранжевые стрелки), направление максимальных касательных напряжений (фиолетовая полоса) и локальное Д-направление (красная полоса) после активизации Д-ско-лов. Показан тот же участок, что и на рис. 8, б. Фон - распределение максимальных кулоновских напряжений т 1ax. Fig. 9. Position of the new local axis of maximum compression (orange arrows), maximum shear stress direction (purple line), and local Д-shear direction (red line) after the activation of Д-shears. See also Fig. 8, б. Maximum Coulomb stress, т l^is shown at the background.
.¿f! л
Рис. 10. Схема строения сдвиговой зоны на стадии зарождения магистрального разлома. Черными линиями обозначены сколы Риделя, красными - вновь образованные Р-сколы. Fig. 10. Scheme of the shear zone at the stage when the main fault is initiated. Black lines - Д-shears; red lines - newly formed P-shears.
P
R
сколов Риделя в локальном поле напряжений. Их наклон составил бы около 50° к оси основного сдвига. Однако автор не встречал в литературе упоминаний о массовом образовании сколов с такой ориентацией в экспериментах.
При рассмотрении поля напряжений в зоне сдвига после активизации сколов Риделя возникает еще один естественный вопрос. Непонятно, почему дальнейшее разрушение в физических экспериментах реализуется именно в виде Р-сколов, несмотря на то, что величины максимального кулоновского напряжения на концах Д-сколов значительно превосходят таковые в области вероятного возникновения Р-скола, т.е. конфигурация системы сколов в зоне сдвига, по-видимому, регулируется не только максимальным кулонов-ским напряжением.
Идеализированная схема строения сдвиговой зоны на стадии образования Р-сколов показана на рис. 10. Структуры второго порядка - Д-сколы и Р-сколы - развиты настолько, что их цепочка представляет собой непрерывное нарушение через всю сдвиговую зону. Собственно, это и есть начало формирования магистрального разлома. Красные линии - вновь возникшие Р-сколы. Фиолетовая стрелка показывает направление максимального внешнего сжатия о3, оранжевая - направление локальной оси максимального сжатия о * на участках между соседними сколами Риделя.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Расчет параметров поля напряжений в сдвиговой зоне, выраженной эшелоном параллельных сколов Риделя при значении угла внутреннего трения ф=30°, показывает, что при расстоянии между соседними сколами
больше 1.4 полудлины трещины объединения сколов в магистральный разлом без роста внешней нагрузки происходить не должно, поскольку значение максимального кулоновского напряжения на участках между сколами не превышает предела прочности материала. Невысокие значения кулоновского напряжения являются следствием роста нормальных сжимающих напряжений на площадках скалывания, так что даже несмотря на повышение уровня касательных напряжений разрушение не может быть реализовано.
Другими словами, при достаточно редком расположении Д-сколов сброс касательных напряжений, накопившихся в системе в результате воздействия внешней сдвиговой нагрузки, полностью осуществляется за счет сдвига по этим Д-сколам, поэтому не происходит образования новых нарушений. Стоить заметить, что результаты проведенных расчетов не разъясняют причин, по которым при зарождении сдвиговой зоны сколы Риделя возникают на том или другом расстоянии друг от друга. Однако определение величин куло-новского напряжения в промежутках между Д-сколами дает возможность установить, насколько опасной является та или иная природная сдвиговая зона с точки зрения образования магистрального сдвига.
При достаточно близком расположении Д-сколов между ними возникают участки превышения кулонов-ским напряжением предела прочности. Анализ ориентировки осей главных напряжений на этих участках позволяет установить, что новое Д-направление в измененном сколами Риделя поле напряжений составляет с основной осью сдвигания угол около -10°. Это совпадает с направлением Р-сколов, наблюдаемых в экспериментальных и природных зонах сдвига на стадии
развития, следующей за стадией возникновения R-ско-лов. Когда Р-сколы развиваются достаточно, чтобы вместе с R-сколами образовывать участки непрерывного нарушения в сдвиговой зоне, начинается формирование магистрального разлома.
6. ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Bornyakov S.A., 1981. Tectonophysical Analysis of Formation of a Transform Zone in an Elastic-Viscous Model. In: N.A. Logachev, S.I. Sherman (Eds), Problems of Fault Tectonics. Nauka, Novosibirsk, p. 26-44 (in Russian) [Борня-ков С.А. Тектонофизический анализ процесса формирования трансформной зоны в упруговязкой модели // Проблемы разломной тектоники / Ред. Н.А. Логачев, С.И. Шерман. Новосибирск: Наука, 1981. C. 26-44].
Cunningham WD., 1993. Strike-Slip Faults in the Southernmost Andes and the Development of the Patagonian Oroc-line. Tectonics 12 (1), 169-186. https://doi.org/10.1029/ 92TC01790.
Dooley T.P., Schreurs G., 2012. Analogue Modelling of Intraplate Strike-Slip Tectonics: A Review and New Experimental Results. Tectonophysics 574-575, 1-71. https://doi. org/10.1016/j.tecto.2012.05.030.
Gintov O.B., 2005. Field Tectonophysics and Its Application in Studies of Deformation of the Earth's Crust. Phoenix, Kiev, 572 p. (in Russian) [Гинтов О.Б. Полевая тектоно-физика и ее применение при изучении деформаций земной коры. Киев: Феникс, 2005. 572 с.].
Gogonenkov G.N., Kashik A.S., Timurziev A.I., 2007. Horizontal Displacements of West Siberia's Basement. Russian Oil and Gas Geology 3, 3-11 (in Russian) [Гогоненков Г.Н., Кашик А.С., Тимурзиев А.И. Горизонтальные сдвиги фундамента Западной Сибири // Геология нефти и газа. 2007. № 3. С. 3-11].
Goncharov M.A., Rogozhin E.A., Frolova N.S., Rozhin P.N., Zakharov V.S., 2014. Riedel Megashears R' and the Trend to Gravitational Equilibrium as Main Factors of Tsunamigenic Earthquakes. Geodynamics & Tectonophysics 5 (4), 939-991 (in Russian) [Гончаров M.A., Рогожин Е.А., Фролова Н.С., Рожин П.Н., Захаров В.С. Мегасколы Риделя R' и тенденция к гравитационному равновесию как главные факторы цунамигенных землетрясений // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 4. С. 939-991]. https://doi. org/10.5800/gt-2014-5-4-0164.
Koronovsky N.V., Gogonenkov G.N., Goncharov M.A., Timurziev A.I., Frolova N.S., 2009. The Role of Shear along the Horizontal Plane in the Formation of Propeller-Shaped Structures. Geotectonics 5, 50-64 (in Russian) [Короновский Н.В., Гогоненков Г.Н., Гончаров М.А., Тимурзиев А.И., Фролова Н.С. Роль сдвига вдоль горизонтальной плоскости при формировании структур «пропеллерного» типа // Геотектоника. 2009. № 5. С. 50-64].
Lermontova A.S., Rebetsky Yu.L., 2012. Research of Interactions between Shear Fractures on the Basis ofApprox-imate Analytical Elastic Solutions. Geodynamics & Tectonophysics 3 (3), 239-274 (in Russian) [Лермонтова А.С., Ребец-кий Ю.Л. Исследование взаимодействия трещин сдвига на основе приближенного аналитического решения
задачи теории упругости // Геодинамика и тектонофизика. 2012. Т. 3. № 3. С. 239-274]. https://doi.org/10. 5800/GT-2012-3-3-0073.
Mikhailova A.V., 2007. Geodynamic Characteristics of Structures Formed in the Layer above Active Faults in the Basement. In: Geophysics ofthe XXI Century: The Year of2006. Proceedings of the Eighth Geophysical Readings Named after VV Fedynsky (March 02-04, 2006). GERS, Tver, p. 111-118 (in Russian) [Михайлова А.В. Геодинамические характеристики структур, образовавшихся в слое над активными разломами фундамента // Геофизика XXI столетия: 2006 год. Сборник трудов Восьмых геофизических чтений им. В.В. Федынского (2-4 марта, 2006 г.). Тверь: ГЕРС, 2007. С. 111-118].
Naylor M.A., Mandl G., Sijpesteijn C.H.K., 1986. Fault Geometries in Basement-Induced Wrench Faulting under Different Initial Stress States. Journal of Structural Geology 8 (7), 737-752. https://doi.org/10.1016/0191-8141(86)90022-2.
Rebetsky Yu.L., Mikhailova A.V., Sim L.A., 2008. Fracture Structures at the Depths of Shear Zones. Tectonophysical Modeling Results. In: Problems of Tectonophysics. To the 40th Anniversary of M.V Gzovsky Laboratory of Tectonophysics, IPE RAS. IPE RAS Publishing House, Moscow, p. 103-140 (in Russian) [Ребецкий Ю.Л., Михайлова А.В., Сим Л.А. Структуры разрушения в глубине зон сдвигания. Результаты тектонофизического моделирования // Проблемы тек-тонофизики: К сорокалетию создания М.В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН. М.: Изд-во ИФЗ РАН, 2008. С. 103-140].
Seminsky K.Zh., 2003. Internal Structure of Continental Fault Zones. Tectonophysical Aspect. GEO, Novosibirsk, 244 p. (in Russian) [Семинский К.Ж. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Тектонофизический аспект. Новосибирск: ГЕО, 2003. 244 с.].
Sherman S.I., Seminsky K.Zh., Bornyakov S.A., Buddo VYu., Lobatskaya R.M., Adamovich A.N., Truskov VA., Babichev A.A., 1991. Faulting in the Lithosphere. Strike-Slip Zones. Nauka, Novosibirsk, 261 p. (in Russian) [Шерман С.И., Семинский К.Ж., Борняков С.А., Буддо В.Ю., Лобацкая Р.М., Адамович А.Н., Трусков В.А., Бабичев А.А. Разломообразо-вание в литосфере. Зоны сдвига. Новосибирск: Наука, 1991. 262 с.].
Stefanov Y.P., Bakeev R.A., 2015. Formation of Flower Structures in a Geological Layer at a Strike-Slip Displacement in the Basement. Izvestiya. Physics of the Solid Earth 51 (4), 535-547. https://doi.org/10.1134/S1069351315040114.
Stoyanov S.S., 1977. Mechanism of Formation of Fault Zones. Nedra, Moscow, 144 p. (in Russian) [Стоянов С.С. Механизм формирования разрывных зон. М.: Недра, 1977. 144 с.].
Tchalenko J.S., 1968. The Evolution of Kink-Bands and the Development of Compression Textures in Sheared Clays. Tectonophysics 6 (2), 159-174. https://doi.org/10.1016/ 0040-1951(68)90017-6.
Tchalenko J.S., 1970. Similarities between Shear Zones of Different Magnitudes. Geological Society of America Bulletin 81 (6), 1625-1640. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1970)81[1625:SBSZ0D]2.0.C0;2.
