Про подібність зсувного деформування гранульованого масиву та фрагментованого середовища в сейсмоактивній зоні
DOI:
https://doi.org/10.24028/gzh.v43i3.236386Ключові слова:
гранульоване середовище, зсувне деформування, сейсмічно активна зона, метод дискретних елементівАнотація
У сучасних дослідженнях динамічну поведінку середовища, що знаходиться в сейсмогенеруючій зоні на межі тектонічних плит, розглядають як поведінку складної відкритої системи, що перебуває в стані самоорганізованої критичності. Такий підхід зумовлений як самими закономірностями генерації землетрусів, так і складною будовою цієї зони. Мережа розломів і тріщин зумовила суттєву неоднорідність і фрагментованість зони. Тому для моделювання динаміки такого середовища все частіше застосовують дискретні моделі. Основою для порівняння моделі та натурного об’єкта є статистичні закономірності їх динамічного деформування. З огляду на цю концепцію змодельовано зсувну динаміку гранульованого масиву, утвореного з однакових кубічних гранул, та порівняно динамічні статистичні характеристики цієї системи з аналогічними характеристиками, що отримані для зони генерування землетрусів. Зсувне деформування здійснено за допомогою резервуара, що складається з двох частин — рухомої та нерухомої. В рухомій частині також знаходиться кришка, якій гранульованим масивом передається кінетична енергія в процесі зсувного деформування. Для розрахунку зсувної динаміки використано метод дискретних елементів. У результаті числового моделювання отримано розподіл стрибків кінетичної енергії кришки, які імітують збурення, що передаються від гранульованої системи до зовнішнього середовища. Отриманий розподіл цих збурень є степеневою залежністю з показником степеня, властивим для землетрусів (закон Ґутенберґа—Ріхтера). До та після великих збурень спостерігаються скупчення менших збурень, аналогів форшоків та афтершоків. Побудовано розподіли флуктуацій швидкостей елементів та обчислено кореляцію флуктуації швидкостей. Виявлено подібність розподілів флуктуацій швидкостей у модельному середовищі та сейсмоактивному регіоні в Каліфорнії, який вміщує розлом Сан Андреас. Визначено подібність кореляційних функцій: як у числовому розрахунку, так і в натурних експериментах вони є функціями розтягнуної експоненти. Отриманий результат засвідчує, що процес зсуву у гранульованому масиві та природний сейсмічний процес у зоні розлому Сан Андреас є статистично подібними.
Посилання
Beeman, D. (1976). Some multistep methods for use in molecular dynamics calculations. Journal of Computational Physics, 20(2), 130—139.https://doi.org/10.1016/0021-9991(76)90059-0.
Ben-Zion, Y., & Sammis, G. S. (2003). Characterization of fault zones. Pure and Applied Geophysics, 160, 677—715. https://doi.org/10.1007/PL00012554.
Beroza, G. C., & Ide, S. (2011). Slow earthquakes and nonvolcanic tremor. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 39, 271—296. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-040809-152531.
Billi, A., & Storti, F. (2004). Fractal distribution of particle size in carbonate cataclastic rocks from the core of a regional strike-slip fault zone. Tectonophysics, 384, 115—128. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2004.03.015.
Cundall, P. A. (1971). A computer model for simulating progressive large-scale movements in blocky rock systems. Proceedings of International Symposium Rock Fracture (pp. 2—8). ISRM, Nancy.
Forsythe, G. E., Malcolm, M. A., & Moler, C. B. (1977). Computer methods for mathematical computations. New Jersey: Prentice Hall, Inc., 259 p.
Geller, D. A., Ecke, R. E., Dahmen, K. A., & Backhaus, S. (2015). Stick-slip behavior in a continuum-granular experiment. Physical Review E, 92, 060201(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.060201.
Gürlebeck, K., & Sprössig, W. (1997). Quaternionic and Clifford calculus for physicists and engineers. Chichester: Wiley, 384 p.
Kanamori, H., & Schubert, G. (eds.) (2015). Treatise on Geophysics: Vol. 4 Earthquake Seismology (2-d edition). Amsterdam: Elsevier, 653 p.
Kumar, P., Korkolis, E., Benzi, R., Denisov, D., Niemeijer, A, Schall, P., Toschi, F., &Trampert, J. (2020). On interevent time distributions of avalanche dynamics. Scientific Reports, 10(1), 626. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56764-6.
Lherminier, S., Planet, R., Levy ditVehel, V., Simon, G., Vanel, L., Måløy, K. J., & Ramos, O. (2019). Continuously sheared granular matter reproduces in detail seismicity laws. Physical Review Letters, 122, 218501.https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.218501.
Loveless, J. P., & Meade, B. J. (2011). Stress modulation on the San Andreas fault by interseismic fault system interactions. Geology, 39(11), 1035—1038. https://doi.org/10.1130/G32215.1.
McCaffrey, R. (2005). Block kinematics of the Pacific-North America plate boundary in the southwestern United States from inversion of GPS, seismological, and geologic data. Journal of Geophysical Research, 110, B07401. https://doi.org/10.1029/2004JB003307.
Meade, B. J., & Hager, B. H. (2005). Block models of crustal motion in southern California constrained by GPS measurements. Journal of Geophysical Research, 110, B03403. https://doi.org/10.1029/2004JB003209.
Meroz, Y., & Meade, B. J. (2017). Intermittent granular dynamics at a seismogenic plate boundary. Physical Review Letters, 119, 138501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.138501.
Mykulyak, S. V. (2019). The regularities of the dynamics of structured geomedia: theory, model, experiment. Extended abstract of Doctor’s thesis. Kyiv, 37 p. (in Ukrainian).
Mykulyak, S., Kulich, V., & Skurativskyi, S. (2019a).Simulation of shear motion of angular grains massif via the discrete element method. In Z. Hu, S. Petoukhov, I. Dychka, M. He (Eds.), Advances in Computer Science for Engineering and Education. ICCSEEA 2018. Advances in Intelligent Systems and Computing (Vol. 754, 74—81). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-91008-6_8.
Mykulyak, S. V., Polyakovskyi, V. O., & Skurativskyi, S. I. (2019b). Statistical properties of shear deformation of granular media and analogies with natural seismic processes. Pure and Applied Geophysics, 176, 4309—4319. https://doi.org/10.1007/s00024-019-02209-0.
Mykulyak, S. V., Polyakovskyi, V. O., & Skurativskyi, S. I. (2021). Experimental study of shear deformation of the medium formed by the massif of ribbed grain. Geofizicheskiy zhurnal, 43(2), 178—188. https://doi.org/ 10.24028/gzh.v43i2.230197.
Nassauer, B., & Kuna, M. (2013). Contact forces of polyhedral particles in discrete element method. Granular Matter, 15(3), 349—355. https://doi.org/10.1007/s10035-013-0417-9.
Olami, Z., Feder, H. J. S., & Christensen, K. (1992). Self-organized criticality in a continuous, nonconservative cellular automaton modeling earthquakes. Physical Review Letters, 68, 1244. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.1244.
Shakarji, C. V. (1998). Least-squares fitting algorithms of the NIST algorithm testing system. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 103(6), 633—641.
Scholz, C. H. (2019). The mechanics of earthquakes and faulting (3-d edition). Cambridge: Cambridge University Press, 700 p.
Shelly, D. R., Beroza, G. C., Ide, S. & Nakamula, S. (2006). Low frequency earthquakes in Shikoku, Japan, and their relationship to episodic tremor and slip. Nature, 442, 188—191. https://doi.org/10.1038/nature04931.
Zhao, S., Zhou, X., & Liu, W. (2015). Discrete element simulations of direct shear tests with particle angularity effect. Granular Matter, 17(6), 793—806. https://doi.org/10.1007/s10035-015-0593-x.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори зберігають за собою авторські права на роботу і передають журналу право першої публікації разом з роботою, одночасно ліцензуючи її на умовах Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим поширювати дану роботу з обов'язковим зазначенням авторства даної роботи і посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі .
2. Автори зберігають право укладати окремі, додаткові контрактні угоди на не ексклюзивне поширення версії роботи, опублікованої цим журналом (наприклад, розмістити її в університетському сховищі або опублікувати її в книзі), з посиланням на оригінальну публікацію в цьому журналі.
3. Авторам дозволяється розміщувати їх роботу в мережі Інтернет (наприклад, в університетському сховище або на їх персональному веб-сайті) до і під час процесу розгляду її даними журналом, так як це може привести до продуктивної обговоренню, а також до більшої кількості посилань на дану опубліковану роботу (Дивись The Effect of Open Access).
