Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде

Рассмотрено несколько теоретических моделей упругой геологической среды с неоднородными теплофизическими характеристиками. На основе метода конечных элементов получено детальное распределение термоупругих напряжений и перемещений для неоднородной геологической среды. Исследовано влияние геометрическ...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики
Дата:2013
Автор: Бахова, Н.И.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України 2013
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100287
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде / Н.И. Бахова // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики: Зб. наук. пр. — 2013. — Вип. 10. — С. 98-106. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100287
record_format dspace
spelling Бахова, Н.И.
2016-05-19T14:34:23Z
2016-05-19T14:34:23Z
2013
Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде / Н.И. Бахова // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики: Зб. наук. пр. — 2013. — Вип. 10. — С. 98-106. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
2409-9430
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100287
531.781:550.36(045)
Рассмотрено несколько теоретических моделей упругой геологической среды с неоднородными теплофизическими характеристиками. На основе метода конечных элементов получено детальное распределение термоупругих напряжений и перемещений для неоднородной геологической среды. Исследовано влияние геометрического фактора и неоднородных граничных условий на распределение термоупругих напряжений и перемещений. Согласно вычислительным экспериментам, максимальные термоупругие напряжения достигают 500 бар, максимальные вертикальные перемещения не превышают 90, горизонтальные - 50 м. Положение нейтральной плоскости определяется точно.
Розглянуто декілька теоретичних моделей пружного геологічного середовища з неоднорідними теплофізичними характеристиками. На основі методу скінченних елементів отримано детальний розподіл термопружних напружень і переміщень для неоднорідного геологічного середовища. Досліджено вплив геометричного фактора і неоднорідних граничних умов на розподіл термопружних напружень і переміщень. Згідно з обчислювальними експериментами, максимальні термопружні напруження досягають 500 бар, максимальні вертикальні переміщення не перевищують 90, горизонтальні - 50 м. Положення нейтральної площини визначається точно.
Some theoretical thermoelastic models for the elastic geological environment with inhomogeneous thermophysical characteristics are considered. On the basis of the finite element method the detailed distribution of thermoelastic stresses and displacements for heterogeneous geological environment is received. The influence of the geometric factor and inhomogeneous boundary conditions on the distribution of thermoelastic stresses and displacements is investigated. Computing experiments have shown, that the size of the maximum thermal stresses reaches 500 bar. The maximum values of vertical dislocation are reached 90 m, and horizontal - 50 m. Neutral plane position is precisely defined.
ru
Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України
Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики
Математична обробка геолого-геофізичної інформації
Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
Теплові неоднорідності та накопичення термопружних напружень в геологічному середовищі
Thermal inhomogeneities and accumulation of thermoelastic stresses in geological environment
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
spellingShingle Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
Бахова, Н.И.
Математична обробка геолого-геофізичної інформації
title_short Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
title_full Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
title_fullStr Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
title_full_unstemmed Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
title_sort тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде
author Бахова, Н.И.
author_facet Бахова, Н.И.
topic Математична обробка геолого-геофізичної інформації
topic_facet Математична обробка геолого-геофізичної інформації
publishDate 2013
language Russian
container_title Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики
publisher Центр менеджменту та маркетингу в галузі наук про Землю ІГН НАН України
format Article
title_alt Теплові неоднорідності та накопичення термопружних напружень в геологічному середовищі
Thermal inhomogeneities and accumulation of thermoelastic stresses in geological environment
description Рассмотрено несколько теоретических моделей упругой геологической среды с неоднородными теплофизическими характеристиками. На основе метода конечных элементов получено детальное распределение термоупругих напряжений и перемещений для неоднородной геологической среды. Исследовано влияние геометрического фактора и неоднородных граничных условий на распределение термоупругих напряжений и перемещений. Согласно вычислительным экспериментам, максимальные термоупругие напряжения достигают 500 бар, максимальные вертикальные перемещения не превышают 90, горизонтальные - 50 м. Положение нейтральной плоскости определяется точно. Розглянуто декілька теоретичних моделей пружного геологічного середовища з неоднорідними теплофізичними характеристиками. На основі методу скінченних елементів отримано детальний розподіл термопружних напружень і переміщень для неоднорідного геологічного середовища. Досліджено вплив геометричного фактора і неоднорідних граничних умов на розподіл термопружних напружень і переміщень. Згідно з обчислювальними експериментами, максимальні термопружні напруження досягають 500 бар, максимальні вертикальні переміщення не перевищують 90, горизонтальні - 50 м. Положення нейтральної площини визначається точно. Some theoretical thermoelastic models for the elastic geological environment with inhomogeneous thermophysical characteristics are considered. On the basis of the finite element method the detailed distribution of thermoelastic stresses and displacements for heterogeneous geological environment is received. The influence of the geometric factor and inhomogeneous boundary conditions on the distribution of thermoelastic stresses and displacements is investigated. Computing experiments have shown, that the size of the maximum thermal stresses reaches 500 bar. The maximum values of vertical dislocation are reached 90 m, and horizontal - 50 m. Neutral plane position is precisely defined.
issn 2409-9430
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100287
citation_txt Тепловые неоднородности и накопление термоупругих напряжений в геологической среде / Н.И. Бахова // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики: Зб. наук. пр. — 2013. — Вип. 10. — С. 98-106. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT bahovani teplovyeneodnorodnostiinakoplenietermouprugihnaprâženiivgeologičeskoisrede
AT bahovani teplovíneodnorídnostítanakopičennâtermopružnihnapruženʹvgeologíčnomuseredoviŝí
AT bahovani thermalinhomogeneitiesandaccumulationofthermoelasticstressesingeologicalenvironment
first_indexed 2025-11-24T14:28:09Z
last_indexed 2025-11-24T14:28:09Z
_version_ 1850468265406496768
fulltext 98 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова УДК 531.781:550.36(045) Н.И. Бахова Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, г. Киев ТЕПЛОВЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ И НАКОПЛЕНИЕ ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ Рассмотрено несколько теоретических моделей упругой геологической среды с неоднородными теплофизическими характеристиками. На основе метода конеч- ных элементов получено детальное распределение термоупругих напряжений и перемещений для неоднородной геологической среды. Исследовано влияние гео- метрического фактора и неоднородных граничных условий на распределение тер- моупругих напряжений и перемещений. Согласно вычислительным эксперимен- там, максимальные термоупругие напряжения достигают 500 бар, максимальные вертикальные перемещения не превышают 90, горизонтальные – 50 м. Положе- ние нейтральной плоскости определяется точно. Ключевые слова: термоупругие напряжения, перемещения, геологическая сре- да, метод конечных элементов, вычислительный эксперимент. Введение. Реальное напряженное состояние в любой точке лито- сферы является результатом действия напряжений различного проис- хождения. Источников напряжений в литосфере может быть несколько. Важнейшие из них следующие: - отрицательная плавучесть плиты, погружающейся в зоне субдук- ции; - сила гравитационного соскальзывания плиты с океанического хреб- та; - процессы эрозии и седиментации, вызывающие, соответственно, уменьшение и увеличение поверхностной нагрузки; - изменение температуры. Системы напряжений, действующих в литосфере, могут быть удоб- но разделены на две главные категории: возобновляемые и невозобнов- ляемые [4]. Напряжения возобновляемого типа – это результат непрерывного действия (или вторичного приложения) поверхностных и массовых сил. Под действием таких напряжений в литосфере в геологических интер- 99 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова валах времени накапливается большое количество энергии, которая высвобождается тектонической активностью [4]. Тепловые напряжения относятся к невозобновляемому типу. Они высвобождаются в молодой океанической литосфере и, однажды выс- вободившись, не могут больше накапливаться вновь. В силу этого об- стоятельства в моделях глобальных напряжений влияние термоупругих напряжений не учитывалось. Первые опубликованные модели термоупругих напряжений для оке- анической литосферы появились в 1973–1974 гг. Модели были существен- но упрощены в связи с тем, что их исследование проводилось на основе аналитических методов. Наиболее заметный импульс развитию исследования тепловых на- пряжений дали работы Д. Теркота [5–8]. Модель одноосных тепловых напряжений в остывающей океанической литосфере Д. Теркота откры- ла новый путь к исследованию феномена внутриплитовой тектоники [5, 7]. Тепловые напряжения, связанные с остыванием океанической лито- сферы, рассчитываются по формуле 0( )yy yE T Tσ = −α − , где Ty – температура нижней границы литосферы; T0 – температура, до которой плита остыла; α – коэффициент линейного расширения; E – мо- дуль Юнга. При α = 3·10–5 °C–1, E = 1,7·1011 Па, Ty = 800 °C, T0 = 0°C можно по- лучить, что σyy = 4·103 МПа. Напряжения такой величины могут привести к разрыву. Гребень хребта является ослабленной областью, поэтому для про- стоты анализа принимается σxx = 0. Однако это не совсем точно, по- скольку тепловые напряжения существуют в X-направлении и ошибка в рассчитанных максимальных тепловых напряжениях составляет 10 %. Таким образом, при остывании океанической литосферы возникают тепловые напряжения растяжения, параллельные оси хребта и магнит- ным аномалиям. К зонам разрыва в океанической литосфере напряже- ния σyy будут нормальными. Постановка задачи. Для случая плоского напряженного состояния элемента изотропного материала с коэффициентом теплового расшире- ния α при изменении температуры на ∆θ можно записать 100 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова 0 0 α∆θ   ε = α∆θ     , так как при тепловом расширении (сжатии) не возникает сдвиговой де- формации [1]. Для двумерных задач механики твердого тела на основе принципа ми- нимума потенциальной энергии можно получить следующий функционал: 1 2 T V dVΠ = ε σ∫ . (1) Для конечно-элементного разбиения функционал (1) может быть за- писан в виде 1 1 2 e l e T e e e t d = Ω Π = ε σ Ω∑ ∫ , где Ωe – элементная подобласть; t – ее толщина; l – общее число эле- ментов в системе. Дифференцирование элементного вклада Πe по перемещениям узлов сетки δ и суммирование по всем элементам дают систему алгебраи- ческих уравнений δ = 0K F , (2) где K – матрица жесткости; F0 – силы в узлах, возникающие при началь- ной деформации. Напряжения и деформации связаны между собой соотношением 0( )σ = ε − εD , (3) где D – матрица упругости, отражающая свойства материала (модуль Юнга и коэффициент Пуассона). Уравнение (2) позволяет определить перемещения δ. Из (3) получим выражение для напряжений 0σ = δ − εDB D . Предполагается, что напряжения внутри элементов постоянны и при- ложены к центру тяжести элемента. Матрицу B можно определить, если известны функции формы и узловые смещения. 101 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова Из теории термоупругости известно, что состояние тела считается недеформированным при отсутствии внешних сил и при некоторой за- данной температуре T0. Если T ≠ T0, даже в отсутствие внешних сил, тело будет деформировано вследствие теплового расширения [2]. В геофизике определить температуру недеформированного состоя- ния довольно сложно, а порой и невозможно. Поэтому во всех теорети- ческих моделях принимается следующее предположение: деформации, вызванные однородным нагреванием однородной среды, считаются пре- небрежимо малыми, и температуры T0 для каждого узла сетки рассчи- тывались при нагревании однородной среды тепловым потоком q = 50 мВт/м2. Результаты исследований. В настоящей работе рассмотрено не- сколько теоретических термоупругих задач для геологических сред раз- личной геометрии с контрастными теплофизическими свойствами и не- однородными граничными условиями. Неоднородное нагревание вертикального контакта двух сред при наличии толщи перекрывающих пород. Модель неоднородного нагревания вертикального контакта двух сред изображена на рис. 1. Кон- тактная область перекрыта слоем мощностью h = 5 км с теплопровод- ностью k1 = 1,4 Вт/(м·К) и коэффициентом линейного расширения α = 10–5 °C–1. Нижняя граница модели неподвижна. Отношение коэффи- циентов теплопроводности равно: k2/k1 = 2,5, где k1 = 1,4 Вт/(м·К), k2 = 3,5 Вт/(м·К). Для тепловых потоков q1 и q2 приняты следующие значения: q1 = 80 мВт/м2; q2 = 50 мВт/м2. Ðèñ. 1. Ìîäåëü íåîäíîðîäíîãî íàãðåâàíèÿ âåðòèêàëüíîãî êîíòàêòà äâóõ ñðåä ïðè íàëè÷èè òîëùè ïåðåêðûâàþùèõ ïîðîä 102 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова На границе двух сред для улучшения точности вычисления искомых величин было проведено регулярное сгущение конечно-элементной сетки. На рис. 2 показаны результаты решения задачи. Аномалия термоуп- ругих напряжений наблюдается в области, находящейся непосредствен- но под уступом. Наличие перекрывающей толщи низкотеплопроводных пород приводит к уменьшению напряжений (рис. 2, а). На рис. 2, б узловые точки модельной среды перемещаются по оси X. Знак “минус” означает смещение в отрицательном направлении по оси X. Изолинии перемещений прерываются нейтральной плоскостью, где дви- жения не наблюдается. Ðèñ. 2. Òåðìîóïðóãàÿ ìîäåëü äëÿ íåîäíîðîäíîãî íàãðåâàíèÿ âåðòèêàëüíîãî êîíòàêòà äâóõ ñðåä ïðè íàëè÷èè ïåðåêðûâàþùåãî ñëîÿ (k2/k1 = 2,5; q1/q2 = 1,6): à – ðàñïðåäå- ëåíèå òåðìîóïðóãèõ íàïðÿæåíèé (çíà÷åíèÿ äàíû â áàðàõ (ïî Ìåæäóíàðîäíîé ñèñòå- ìå ÑÈ 1 áàð = 1·105 Ïà)); á – ðàñïðåäåëåíèå ïåðåìåùåíèé ïî îñè X (çíà÷åíèÿ äàíû â ìåòðàõ); â – ðàñïðåäåëåíèå ïåðåìåùåíèé ïî îñè Y (çíà÷åíèÿ äàíû â ìåòðàõ) 103 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова Максимальные поднятия (рис. 2, в) рассматриваемой области про- исходят в низкотеплопроводных блоках. Знак “минус” означает смеще- ние в отрицательном направлении по оси Y. Влияние формы неоднородной среды на распределение термо- упругих напряжений и перемещений. Исследуемая геологическая среда не всегда имеет строго определенную форму. Ее геометрия мо- жет быть различной. Выберем уступообразную форму неоднородной среды. Значения теплофизических и упругих свойств, граничных условий остаются пре- жними относительно предыдущей модели геологической среды. На бо- ковой границе модели 1–2 тепловой поток задавался по линейному зако- ну 1 2 1 1 n q q q q Y Y −′ = − , где Yn – дискретные значения глубин в интервале 10 км < Yn < 20 км. Модель уступообразной формы неоднородной среды жестко закреп- лена в одной точке в нижнем правом углу (рис. 3). Результаты расчетов для двух вариантов задачи приведены на рис. 4, 5. Ðèñ. 3. Ìîäåëü ñðåäû óñòóïîîáðàçíîé ôîðìû. Øèðèíà óñòóïà: à – 10 êì; á – 20 êì 104 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова Закономерности в распределении напряжений (рис. 4, а, 5, а) не из- меняются относительно модели прямоугольной формы. Максимальные термоупругие напряжения накапливаются под контактной зоной. Изгиб изолиний на границе контакта вблизи поверхности обусловлен вариация- ми, вызванными переходом от низкотеплопроводной среды к высоко- теплопроводной. Наличие уступообразного выреза шириной 10 км не влияет на харак- тер распределения перемещений в X- и Y-направлениях (рис. 4, б, в) от- носительно модели прямоугольной формы. При ширине уступа 20 км (рис. 5, б) нейтральная плоскость для горизонтальных перемещений сме- щается к правой границе модели. Увеличение значений вертикальных Ðèñ. 4. Òåðìîóïðóãàÿ ìîäåëü äëÿ íåîäíî- ðîäíîãî íàãðåâàíèÿ óñòóïîîáðàçíîãî âåð- òèêàëüíîãî êîíòàêòà äâóõ ñðåä (øèðèíà óñòóïà 10 êì; k2/k1 = 2,5; q1/q2 = 1,6). Óñëîâíûå îáîçíà÷åíèÿ òå æå, ÷òî è íà ðèñ. 2 Ðèñ. 5. Òåðìîóïðóãàÿ ìîäåëü äëÿ íåîäíî- ðîäíîãî íàãðåâàíèÿ óñòóïîîáðàçíîãî âåð- òèêàëüíîãî êîíòàêòà äâóõ ñðåä (øèðèíà óñòóïà 20 êì; k2/k1 = 2,5; q1/q2 = 1,6). Óñëîâíûå îáîçíà÷åíèÿ òå æå, ÷òî è íà ðèñ. 2 105 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова перемещений в нижней части модели с шириной уступа 10 км (рис. 4, в) происходит менее интенсивно, чем при ширине уступа 20 км (рис. 5, в). Численное исследование теоретических термоупругих моделей гео- логической среды различной геометрии с контрастными теплофизиче- скими свойствами может послужить основой для анализа фрактальных свойств геологической среды. Привлечение математического аппарата фрактальных множеств способствует существенному продвижению ис- следователей в изучении строения геофизической среды. В работе [3] впервые установлено самоподобие сейсмотектониче- ской деформации в широком диапазоне энергий сейсмических подвижек. Это означает, что каждый элемент системы деформируется подобно системе в целом. Одинаково ориентированные отрезки в пределах эле- ментов испытывают одинаковое относительное приращение на разных масштабных уровнях. Таким образом, направленность деформации со- храняется неизменной на всех масштабных уровнях системы. Автора- ми работы [3] направленность деформации названа детерминированной составляющей сейсмотектонического процесса. Для хаотической случайной составляющей самоподобный характер проявляется в бесконечном увеличении суммарной площади поверхно- сти элементов системы, т. е. площади трещиноватости. Следует отме- тить, что суммарный объем системы остается конечным [3]. Авторы [3] предполагают, что процессы, определяющие самоподоб- ное структурирование среды на различных ступенях иерархии, сами об- ладают свойством масштабной инвариантности. Возможно, что такая инвариантность является одним из фундаментальных процессов в при- роде. Заключение. Получено распределение термоупругих напряжений и перемещений для классических задач термоупругости. Исследовано взаимное влияние геометрии неоднородной среды и граничных условий. Согласно вычислительным экспериментам, максимальные термоупру- гие напряжения могут достигать 500 бар, максимальные вертикальные перемещения составляют 80–90, горизонтальные – 40–50 м. 1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 541 с. 2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. – М.: Наука, 1987. – 246 с. 3. Лукк А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. – М.: ОИФЗ РАН, 1996. – 210 с. 106 Зб. наук. праць “Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики”, 2013 © Н.И. Бахова 4. Bott M.H.P., Kusznir N.I. The origin of tectonic stress in the lithosphere // Tectonophysics. – 1984. – V. 105, N 1–4. – P. 1–13. 5. Turcotte D.L. Are transform faults thermal contraction cracs? // J. Geophys. Res. – 1974. – V. 79. – P. 585–587. 6. Turcotte D.L. Membrane tectonics // Geophys. J. R. Astron. Soc. – 1974. – V. 36. – P. 33–42. 7. Turcotte D.L., Oxburgh E.R. Mid-plate tectonics // Nature. – 1973. – V. 244, N 5415. – P. 337–339. 8. Turcotte D.L., Oxburgh E.R. Stress accumulation in the lithosphere // Tectonophysics. – 1976. – V. 35, N 1–3. – P. 183–199. Теплові неоднорідності та накопичення термопружних напружень в геоло- гічному середовищі Н.І. Бахова Розглянуто декілька теоретичних моделей пружного геологічного середовища з неоднорідними теплофізичними характеристиками. На основі методу скінченних елементів отримано детальний розподіл термопружних напружень і переміщень для неоднорідного геологічного середовища. Досліджено вплив геометричного фактора і неоднорідних граничних умов на розподіл термопружних напружень і переміщень. Згідно з обчислювальними експериментами, максимальні термопружні напруження досягають 500 бар, максимальні вертикальні переміщення не переви- щують 90, горизонтальні – 50 м. Положення нейтральної площини визначається точно. Ключові слова: термопружні напруження, переміщення, геологічне середови- ще, метод скінченних елементів, обчислювальний експеримент. Thermal inhomogeneities and accumulation of thermoelastic stresses in geological environment N.I. Bakhova Some theoretical thermoelastic models for the elastic geological environment with inhomogeneous thermophysical characteristics are considered. On the basis of the finite element method the detailed distribution of thermoelastic stresses and displacements for heterogeneous geological environment is received. The influence of the geometric factor and inhomogeneous boundary conditions on the distribution of thermoelastic stresses and displacements is investigated. Computing experiments have shown, that the size of the maximum thermal stresses reaches 500 bar. The maximum values of vertical dislocation are reached 90 m, and horizontal - 50 m. Neutral plane position is precisely defined. Keywords: thermoelastic stresses, displacements, geological environment, finite elements method, computing experiments.