On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area
In recent research, the dynamics of the medium located in the seismic region at the boundary of tectonic plates is considered as the behavior of a complex open system that is in a state of self-organized criticality. Such an approach results from the very laws of earthquake generation and the comple...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
S. Subbotin Institute of Geophysics of the NAS of Ukraine
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/geofizicheskiy/article/view/236386 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Geofizicheskiy Zhurnal |
Репозитарії
Geofizicheskiy Zhurnal| _version_ | 1856543496300658688 |
|---|---|
| author | Mykulyak, S. V. Kulich, V. V. Skurativskyi, S. I. |
| author_facet | Mykulyak, S. V. Kulich, V. V. Skurativskyi, S. I. |
| author_sort | Mykulyak, S. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2021-10-05T12:25:44Z |
| description | In recent research, the dynamics of the medium located in the seismic region at the boundary of tectonic plates is considered as the behavior of a complex open system that is in a state of self-organized criticality. Such an approach results from the very laws of earthquake generation and the complex structure of these areas. The network of faults and cracks makes seismic zones significantly heterogeneous and fragmented. Therefore, discrete models are increasingly used to model the dynamics of these media. The basis for comparing the model and the full-scale object serves the statistical regularities of their dynamic deformation. Relying on this concept, in the paper it is modeled the shear dynamics of a granular massif composed of identical cubic granules and is compared system’s statistical characteristics with the similar characteristics obtained for the earthquake generation zone. Shear deformation is carried out by means of the box consisting of two parts — movable and immovable ones. The movable part possesses the cover which receives kinetic energy from the granular massif in the process of shear deformation. For numerical simulations of the shear dynamics, the discrete element method is applied. The numerical calculations result in the distribution of cover’s kinetic energy jumps simulating the perturbations transmitted from the granular system to an external medium. It turned out that the distribution for these perturbations is the power dependence with an exponent that is inherent in earthquakes (Gutenberg-Richter law). Before and after large perturbations it is observed the swarms of smaller perturbations which are the analogues of foreshocks and aftershocks. The distributions of element’s velocity fluctuations and the correlation of velocity fluctuations are calculated as well. It is revealed the similarity of distributions for velocity fluctuations in the model massif and in the seismically active region of California, which includes the San Andreas fault. Moreover, the similarity of corresponding correlation functions is shown. They both are the functions of the stretched exponent. The obtained result indicates that shear processes in granular massifs and natural seismic processes in the San Andreas Fault are statistically similar. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:12:13Z |
| format | Article |
| id | journalsuranua-geofizicheskiy-article-236386 |
| institution | Geofizicheskiy Zhurnal |
| language | English |
| last_indexed | 2025-07-17T11:12:13Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | S. Subbotin Institute of Geophysics of the NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | journalsuranua-geofizicheskiy-article-2363862021-10-05T12:25:44Z On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area О подобии сдвигового деформирования гранулированного массива и фрагментированной среды в сейсмоактивной зоне Про подібність зсувного деформування гранульованого масиву та фрагментованого середовища в сейсмоактивній зоні Mykulyak, S. V. Kulich, V. V. Skurativskyi, S. I. гранульоване середовище, зсувне деформування, сейсмічно активна зона, метод дискретних елементів гранулированная среда, сдвиговые деформации, сейсмически активная зона, метод дискретных элементов granular medium, shear deformation, earthquake, seismically active area, discrete element method In recent research, the dynamics of the medium located in the seismic region at the boundary of tectonic plates is considered as the behavior of a complex open system that is in a state of self-organized criticality. Such an approach results from the very laws of earthquake generation and the complex structure of these areas. The network of faults and cracks makes seismic zones significantly heterogeneous and fragmented. Therefore, discrete models are increasingly used to model the dynamics of these media. The basis for comparing the model and the full-scale object serves the statistical regularities of their dynamic deformation. Relying on this concept, in the paper it is modeled the shear dynamics of a granular massif composed of identical cubic granules and is compared system’s statistical characteristics with the similar characteristics obtained for the earthquake generation zone. Shear deformation is carried out by means of the box consisting of two parts — movable and immovable ones. The movable part possesses the cover which receives kinetic energy from the granular massif in the process of shear deformation. For numerical simulations of the shear dynamics, the discrete element method is applied. The numerical calculations result in the distribution of cover’s kinetic energy jumps simulating the perturbations transmitted from the granular system to an external medium. It turned out that the distribution for these perturbations is the power dependence with an exponent that is inherent in earthquakes (Gutenberg-Richter law). Before and after large perturbations it is observed the swarms of smaller perturbations which are the analogues of foreshocks and aftershocks. The distributions of element’s velocity fluctuations and the correlation of velocity fluctuations are calculated as well. It is revealed the similarity of distributions for velocity fluctuations in the model massif and in the seismically active region of California, which includes the San Andreas fault. Moreover, the similarity of corresponding correlation functions is shown. They both are the functions of the stretched exponent. The obtained result indicates that shear processes in granular massifs and natural seismic processes in the San Andreas Fault are statistically similar. В современных исследованиях динамическое поведение среды, расположенной в сейсмогенерирующей зоне на границе тектонических плит, рассматривается как поведение сложной открытой системы, находящейся в состоянии самоорганизованной критичности. Такой подход обусловлен как закономерностями генерации землетрясений, так и сложным строением этой зоны. Сеть разломов и трещин обуславливает существенную неоднородность и фрагментирование зоны. Поэтому для моделирования динамики такой среды все чаще применяют дискретные модели. Основу для сравнения модели и натурного объекта составляют статистические закономерности их динамического деформирования. С учетом этой концепции моделируется сдвиговая динамика гранулированного массива, состоящего из одинаковых кубических гранул, и сравниваются динамические статистические характеристики этой системы с аналогичными характеристиками, полученными для зоны генерирования землетрясений. Сдвиговое деформирование осуществляется с помощью резервуара, состоящего из двух частей — подвижной и неподвижной. В подвижной части имеется крышка, которой гранулированным массивом передается кинетическая энергия в процессе сдвигового деформирования. Для расчета сдвиговой динамики используется метод дискретных элементов. В результате численного моделирования получено распределение скачков кинетической энергии крышки, которые имитируют возмущения, передающиеся от гранулированной системы к внешней среде. Полученное распределение этих возмущений характеризуется степенной зависимостью с показателем степени, который свойственен землетрясениям (закон Гуттенберга—Рихтера). До и после больших возмущений наблюдаются скопления меньших возмущений, аналогов форшоков и афтершоков. Построены распределения флуктуаций скоростей элементов и рассчитаны корреляции флуктуаций скоростей. Выявлено сходство распределений флуктуаций скоростей в модельной среде и в сейсмоактивном регионе в Калифорнии, который включает в себя разлом Сан Андреас. Имеет место сходство корреляционных функций: они как в численном расчете, так и в натурных экспериментах являются функциями растянутой экспоненты. Полученный результат свидетельствует о том, что процесс сдвига в гранулированном массиве и природный сейсмический процесс в зоне разлома Сан-Андреас статистически подобны. 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. S. Subbotin Institute of Geophysics of the NAS of Ukraine 2021-10-05 Article Article application/pdf https://journals.uran.ua/geofizicheskiy/article/view/236386 10.24028/gzh.v43i3.236386 Geofizicheskiy Zhurnal; Vol. 43 No. 3 (2021); 161-169 Геофизический журнал; Том 43 № 3 (2021); 161-169 Геофізичний журнал; Том 43 № 3 (2021); 161-169 2524-1052 0203-3100 en https://journals.uran.ua/geofizicheskiy/article/view/236386/236047 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | granular medium shear deformation earthquake seismically active area discrete element method Mykulyak, S. V. Kulich, V. V. Skurativskyi, S. I. On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area |
| title | On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area |
| title_alt | О подобии сдвигового деформирования гранулированного массива и фрагментированной среды в сейсмоактивной зоне Про подібність зсувного деформування гранульованого масиву та фрагментованого середовища в сейсмоактивній зоні |
| title_full | On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area |
| title_fullStr | On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area |
| title_full_unstemmed | On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area |
| title_short | On the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area |
| title_sort | on the similarity of shear deformation of a granular massif and a fragmented medium in the seismically active area |
| topic | granular medium shear deformation earthquake seismically active area discrete element method |
| topic_facet | гранульоване середовище зсувне деформування сейсмічно активна зона метод дискретних елементів гранулированная среда сдвиговые деформации сейсмически активная зона метод дискретных элементов granular medium shear deformation earthquake seismically active area discrete element method |
| url | https://journals.uran.ua/geofizicheskiy/article/view/236386 |
| work_keys_str_mv | AT mykulyaksv onthesimilarityofsheardeformationofagranularmassifandafragmentedmediumintheseismicallyactivearea AT kulichvv onthesimilarityofsheardeformationofagranularmassifandafragmentedmediumintheseismicallyactivearea AT skurativskyisi onthesimilarityofsheardeformationofagranularmassifandafragmentedmediumintheseismicallyactivearea AT mykulyaksv opodobiisdvigovogodeformirovaniâgranulirovannogomassivaifragmentirovannojsredyvsejsmoaktivnojzone AT kulichvv opodobiisdvigovogodeformirovaniâgranulirovannogomassivaifragmentirovannojsredyvsejsmoaktivnojzone AT skurativskyisi opodobiisdvigovogodeformirovaniâgranulirovannogomassivaifragmentirovannojsredyvsejsmoaktivnojzone AT mykulyaksv propodíbnístʹzsuvnogodeformuvannâgranulʹovanogomasivutafragmentovanogoseredoviŝavsejsmoaktivníjzoní AT kulichvv propodíbnístʹzsuvnogodeformuvannâgranulʹovanogomasivutafragmentovanogoseredoviŝavsejsmoaktivníjzoní AT skurativskyisi propodíbnístʹzsuvnogodeformuvannâgranulʹovanogomasivutafragmentovanogoseredoviŝavsejsmoaktivníjzoní |