До тех пор пока не достигнута однозначность полевого морфо-кинематического и динамического анализа, основанного на аналитически полученных моделях, обязательной является хотя бы физико-механическая совместимость структурной интерпретации, т.е. ее соответствие современному уровню знаний законов деформации и разрушения сплошной среды вообще и существующим аналитическим решениям ряда структурно-динамических задач в частности.
Метод математического моделирования не является основным в наших исследованиях. Последние широко опираются как на модели, полученные аналитическим путем, так и на общий учет и анализ физико-механических условий. Трудоемкие вычислительные операции выполнены на ЭВМ по специально разработанным программам.
Тектоническое моделирование (экспериментальная тектоника). Ввиду того, что некоторые ученые [35, 45] в экспериментальной тектонике выделяют две группы исследований — с естественными горными породами («тождественными» материалами, по Ю.А. Косыгину) и с масштабными моделями из эквивалентных материалов, необходимо уточнить, что здесь мы будем касаться только второй группы исследований.
Относительно представительности тектонического моделирования в качестве научно-исследовательского метода существуют различные даже противоположные мнения [120, 32]. Наша точка зрения, сложившаяся из собственного опыта, весьма точно выражается утверждениями, что эксперименты способствуют «получению дополнительных фактических данных и разработке новых представлений» [26, с.26] и «стимулируют и направляют мысль исследователя даже в тех условиях, когда геологические и физические теории оказываются малоэффективными» [62, с.116].
В лабораторной работе нами принята в основном методика, разработанная в группе тектонофизики Института физики Земли АН СССР [28]. Исследования проводились почти исключительно на моделях из влажной глины. Для решения некоторых задач успешно могли бы применяться поляризационно-оптические. методы, но нам это не удалось по ряду причин технического характера. В разных случаях использовались три основных типа прессов — для продольного горизонтального сжатия или растяжения, для поперечного изгиба (с вертикально движущимся поршнем) и для создания простого сдвигания (с горизонтально движущимися плитами), а также сочетания между ними. Из-за существующих общих затруднений при практическом выполнении требований теории тектонического подобия [130, 28] и по причине недостаточной технической оснащенности удовлетворение условий подобия оставалось, конечно, приблизительным. В то же
стр.13 пропуск до стр.33. Конец цитаты.
В этом нет необходимости. Вряд ли целесообразна та высокая точность измерений, которук) достиг С. Стоянов, так как сама тектонофизическая модель является лишь грубым приближением к действительным геологическим ситуациям. К сожалению, автор мочографии не попытался измерять расстояния между точками деформируемой сетки с точностью не до 1 мк, а до 1 мм. Не исключено, что при таком резком снижении точности отсчетов принципиальная картина распределения деформаций на моделях с сеткой не изменится (только она и представляет интерес), в то же время кардинально уменьшится трудоемкость измерительных и вычислительных операций. — Прим. ред.
За счет некоторых технических усовершенствований возможно дальнейшее повышение общей точности результатов.
Независимо от приведенного формального анализа, точность можно оценить и путем сравнения результатов, полученных по методу деформируемой сетки, с результатами аналитических решений сходных задач. Такое сравнение сделано ниже. Выявленное в иллюстрациях (см. рис. 11,в, 12 и 17,а,б) сходство еще раз подтверждает высокую надежность и представительность результатов МДС.
Для воспроизведения разрывных и разрывно-пластических деформаций наиболее подходящим материалом является, по-видимому, влажная глина. Хорошая имитируемость разных типов тектонических структур глиняными моделями давно привлекала внимание экспериментаторов [32, 26, 113, 114, 151 и др.] и позволила им внести существенный вклад в выяснение ряда принципиальных или частных структурных вопросов. После развития теории тектонического подобия М. Хаббертом [130] и М.В. Гзовским [22, 23, 24, 28] и особенно после тщательных исследований механических свойств и реологического поведения глиняных паст, выполненных в тектонофизической лаборатории Института физики Земли [28, 55 и др.], выяснилась физическая обоснованность применимости глины в тектоническом моделировании и ее преимущества при решении определенных тектонофизических задач.
К сожалению, в наших знаниях о реологическом поведении горных пород в геологических масштабах времени и пространства все же имеются пробелы, препятствующие проведению точной количественной связи между реологическими (в широком смысле) характеристиками лабораторных и природных материалов. Даже полное изучение механических свойств моделирующей глины и их контроль в условиях экспериментов сопряжено с довольно большими трудностями.
Помимо монтмориллонита, в ее составе установлено значительное содержание каолинита (по определениям И. Узунова).
Почти во всех экспериментах использовалась влажная глина двух видов — бентонитовая (Б) и чистая каолиновая (К). Их влажность (ω) изменялась соответственно в пределах, 50—80 и 40—60%. Значение влажности определялось для каждой модели путем взвешивания представительной пробы непосредственно после эксперимента и полного высыхания (через 20 — 30 дней). Отдельно выполнены многочисленные реологические измерения на глиняных образцах разной влажности, которые позволили наметить известную корреляционную связь между влажностью и основными механическими параметрами глин. Часть полученных результатов представлена на рис. 5 и 6.
Рис. 5. Характерные реологические кривые моделирующих материалов:
а — бентонитовая глина; б — каолиновая глина; в — сопоставление обоих видов глин при приблизительно одинаковой влажности; г — схема испытания образцов.
1 — испытания без разрушения; 2 — испытания с разрушением. (G0 и Gm — Па•104•105, η — П•109; параметры кривых: (ω) (числитель), в %, τ (знаменатель) Па•102
Рис. 6. Корреляционные зависимости для некоторых механических параметров моделирующих глин: а—в — бентонитовая глина; г—е — каолиновая глина (кружки на рис. е относятся к предельному разрушающему напряжению τпр крестики — к предельной сплошной деформации γпр). Единицы параметров те же, что и на рис. 5. Обратить внимание на различие масштабов
Измерения осуществлялись по способу наребренной пластинки (рис. 5,г) на приборе Толстого и выражались в наблюдении относительного смещения пластинок в зависимости от времени при различных постоянных нагрузках. По построенным кривым кинетики деформации γ(t) затем вычислялись упругие модули G0, GK и Gm и эффективная вязкость η или определялась прочность на скалывание. Строго говоря, полученные таким образом значения параметров действительны только при условиях измерений, но эти условия во многом сходны с условиями экспериментов. Это относится прежде всего по-видимому, к продолжительности, скорости и величине деформации, напряжения в обоих случаях чаще всего имеют, значения, близкие к критическим (разрушающим), а характер деформирования близок к простому сдвиганию.
Основные реологические особенности моделирующей бентонитовой глины довольно хорошо изучены. Здесь мы приводим некоторые специфические результаты, касающиеся главным образом свойств каолиновой глины и их сопоставления со свойствами бентонитовой. Прежде всего надо отметить, что сопоставимость (но не тождественность) механического поведения глин В и К достигается при весьма различной влажности. В моделях ωB обычно превышала ωK в среднем на 20 — 30%.
Важная особенность глины К — это большая величина неразрывной (сплошной) деформации, составляющая около 0,3; у глины Б она в 2 — 3 раза меньше. Характерно также различное развитие деформации во времени, выражающееся в разных формах кривых γ(t). Разделение деформации глины К на гуковскую (условно-мгновенную), кельвиновскую (замедленную упругую) и пластическую часто затруднительно. Складывается впечатление, что при определенной нагрузке деформация нарастает плавно, без начального скачка, а скорость ее монотонно убывает еще с момента нагрузки, сходя на нуль через 15 — 20 мин. Она как будто почти целиком состоит из затухающей пластической деформации. Это подтверждается и незначительной величиной обратимой деформации, проявляющейся при разгрузке, которая составляет менее чем 15% условно определенной полной упругой деформации при нагрузке (в пределах указанной длительности). У глины Б доля разгружаемой полной упругой деформации равна приблизительно 50%; в еще большей степени восстанавливается ее мгновенная составляющая (около 72%). Из всего сказанного можно сделать заключение о более высокой пластичности каолиновой глины, по крайней мере в условиях сжатия или сдвигания. Это проявляется и в характере разрушения: в глине К развиваются гораздо более тонкие и большей густоты сколовые трещины (см. рис. 28, б), а нарушенный объем материала в большей степени сохраняет сопротивляемость. В то же время (хотя и без специальных количественных наблюдений) установлено, что прочность на растяжение у глины К заметно ниже, чем у глины Б. При незначительных растяжениях глина первая разрушается предпочтительнее путем отрыва.
Количественные различия параметров Б- и К-глины хорошо видны на графиках (рис. 5, 6). Необходимо отметить, что ввиду разброса индивидуальных результатов, часть кривых на рис. 6 построена с известной условностью. Объективные затруднения возникают при исследовании закономерностей вязкого поведения глин из-за их чувствительности к разным «случайным» факторам. Зависимость η(τ) для глины К вообще не удалось наметить. По всей вероятности, в наших испытаниях, как и в условиях экспериментов, напряжение τ остается в общем ниже предела текучести и глины проявляют так называемую вязкость-ползучесть ηmax [55].
Выявленное различие характера разрушения и предельной величины сплошной деформации определили дифференцированное использование Б- и К-глин. Первая применялась при моделировании процесса и морфологии самого разрушения, в то время как на моделях из второй изучались преимущественно сплошные (непрерывные) деформации с целью прогнозирования разрушения.
стр.36. Конец цитаты.
