8.2.3. Дилатансионный механизм тектонического нагнетания

Дилатансионный процесс нагружения был открыт 150 лет назад Рейнольдсом. Были предложены уравнения дилатансии [Райс, 1982]. В геологической литературе миграция флюидов под влиянием дилатансионного расширения называется тектоническим нагнетанием[Файф, 1981].

При достаточно быстром сдвиговом нагружении трещиноватых пороупругих слоев в них возникает дилатансионный эффект. Он сопровождается резким понижением порового давления. В момент землетрясения в его очаге образуются крупные трещины и даже полости. В эти зоны засасываются флюиды. После релаксации сдвиговых напряжений имеет место упругая консолидация трещиноватой зоны под действием веса вышележащих пород. В результате могут возникнуть градиенты порового давления, соизмеримые с геостатическим градиентом.

Важно отметить, что дилатансионное нагружение и консолидация происходят отнюдь не в одинаковых условиях, что связано со многими физическими причинами. Во-первых, напряженное состояние при сдвиге и консолидации пород разное. Само разрушение является необратимым процессом и не повторяет свой путь при разгрузке. Во-вторых, прочностные характеристики среды при осушении и обводнении трещиноватой среды также разные. Поэтому дилатансия и консолидация, действуя совместно, создают направленное движение флюидов в верхней коре, по крайней мере, на локальном уровне. Основная трудность изучения указанного механизма состоит в том, что он не столь очевиден. Он не имеет таких явных доказательств своего присутствия и результатов своего действия, как механизм тепловой конвекции. По указанной причине геологи не в состоянии идентифицировать его по чисто геологическим признакам. Данный режим динамики флюидов никогда не проявляется в чистом виде, понятном для наблюдений. Его наличие обусловлено множеством сопутствующих факторов, таких как геометрия трещиноватой зоны и окружающего массива, ее напряженно-деформированное состояние, динамический режим всей системы и т.д. Он имеет множество разновидностей и вариаций на разных уровнях и при различных условиях, что еще больше запутывает суть дела. Проверить эту флюидодинамическую концепцию достаточно сложно в силу больших пространственных и временных масштабов природных процессов и дороговизны экспериментов. В то же самое время косвенные геологические признаки указанного механизма (даже в рамках целенаправленных наблюдений и экспериментов) не допускают прямой и однозначной интерпретации.

Учитывая сложность этих процессов, их следует рассматривать на основе глубоких теоретических исследований с помощью математических моделей. Однако в настоящее время мы не имеем адекватных уравнений дилатансии и разрушения пористых сред для глубин и масштабов верхней и средней коры. В пользу данного заключения говорит тот факт, что листрические разломы (их размер, форма и основные закономерности) пока еще не описаны в рамках классической механики разрушения на уровне строгих моделей.

Тем не менее, логика исследования заставляет нас искать не только под фонарем, где светло, но и в темных закоулках. В определенных идеальных условиях указанный механизм может создавать градиент порового давления с фактором . Другими словами, градиент порового давления становится соизмеримым с градиентом геостатического давления. В реальных условия, существующих в разломных зонах, этот фактор на один-два порядка меньше и приближается к его значению в срединно-океанических хребтах.

Расширяться и сжиматься трещиноватая среда может сколь угодно долго, пока действуют благоприятствующие этим колебаниям условия. Данный процесс лишен главного недостатка механизма тепловой конвекции. Он не связан с тепловыми или какими-либо другими источниками и способен перемещать флюиды на большие расстояния. Необходимыми условиями его существования являются лишь наличие разломов, флюидов и тектонических сил в коре.