gtcrustГеодинамика и тектонофизикаGeodynamics & Tectonophysics2078-502XInstitute of the Earth's crust of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch10.5800/GT-2022-13-1-0577gtcrust-1430Research ArticleТЕКТОНОФИЗИКАTECTONOPHYSICSАЛГОРИТМ РАСЧЕТА ВЕЛИЧИН НЕОТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПЛАТФОРМЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ В СТРУКТУРНО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОМ МЕТОДЕALGORITHM FOR CALCULATING NEOTECTONIC STRESSES IN PLATFORM AREAS BY THE STRUCTURAL-GEOMORPHOLOGICAL METHODРебецкийЮ. Л.RebetskiyYu. L.

123242, Москва, ул. Большая Грузинская, 10, стр. 1

Yuri L. Rebetsky

10-1 Bolshaya Gruzinskaya St, Moscow 123242

reb@ifz.ruСимЛ. А.SimL. A.

123242, Москва, ул. Большая Грузинская, 10, стр. 1

10-1 Bolshaya Gruzinskaya St, Moscow 123242

МарининА. В.MarininA. V.

123242, Москва, ул. Большая Грузинская, 10, стр. 1

10-1 Bolshaya Gruzinskaya St, Moscow 123242

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАНРоссияSchmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of SciencesRussian Federation202222032022131577577Copyright © Ребецкий Ю.Л., Сим Л.А., Маринин А.В., 20222022Ребецкий Ю.Л., Сим Л.А., Маринин А.В.Rebetskiy Y.L., Sim L.A., Marinin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gt-crust.ru/jour/article/view/1430

Предложен алгоритм расчета величин напряжений, базирующийся на результатах реконструкции, выполненной структурно-геоморфологическим методом Л.А. Сим для платформенных областей. Этот метод позволяет для зон сдвигания на основе линеаментного анализа космо- и фотоснимков и палетки Гзовского определять ориентацию осей главных напряжений и выделять линеаменты, характеризующие активные разломы фундамента, скрытые осадочным чехлом. Предлагается к совокупности таких данных применять алгоритм второго этапа метода катакластического анализа разрывных смещений, в котором с помощью диаграммы Мора производится расчет величин напряжений, нормированных на прочность сцепления массива. Далее для определения значения прочности сцепления и абсолютных величин напряжений используются данные о величине литостатического давления и давления флюида в трещинно-поровом пространстве массива (измеряется или директивно подбирается). Алгоритм расчета напряжений тестировался на небольшом участке (площадь космоснимка 60×60 км) вблизи территориального округа Северск – южного обрамления Западно-Сибирской платформы. Проведенные расчеты показали, что при вариации флюидного давления от гидростатических значений до вдвое бόльших прочность сцепления массива пород осадочного чехла у его подошвы (глубина 500 м) находится в пределах 41.0–16.8 бар, а уровень максимальных касательных напряжений – в диапазоне значений 75–31 бар.

An algorithm for calculating stress values proposed here is based on the results of reconstruction performed by L.A. Sim’s structural-geomorphological method for platform areas. This method makes it possible to determine the orientation of the axes of principal stresses for the shear zones from the lineament analysis of satellite images and photographs and Gzovsky’s palette, and to identify the lineaments characterizing the basement active faults which are covered by sediments. It is proposed that the dataset obtained will be subjected to the algorithm of the second-stage method of Cataclastic Analysis of faulting displacements, in which the Mohr diagram is used to calculate the stress values normalized for the cohesion strength of the massif. The further determination of the cohesion strength and absolute stress values is based on the data for lithostatic pressure and fluid pressure in the fracture-pore space of the massif (either measured or prescriptive). The stress calculation algorithm was tested on a small area (60 square km of satellite imagery) near the territorial district of Seversk – the southern border of the West Siberian Platform. The calculations have shown that with the fluid pressure variations ranging from hydrostatic values to twice higher than those, the cohesion strength of a rock mass at the base of the sedimentary cover (500 m depth) is in the range of 41.0 to 16.8 bar, and the level of maximum tangential stresses lies in the range of 75 to 31 bar.

космический снимоклинеаментразрывтрещинасдвигось главного напряжениявеличина напряженияпрочность сцепленияфлюидное давлениеэффективное давлениедиаграмма Моракруг Мораструктурно-геоморфологический методsatellite imagelineamentfaultfractureshiftprincipal stress axisstress valuecohesion strengthfluid pressureeffective pressureMohr diagramMohr circlestructural geomorphological methodРабота в части развития методов тектонофизики выполнена в рамках госзадания Института физики Земли РАН.The work on the developmment of tectonophysical methods has been done in accordance with the state assignment for the Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences.ReferencesAngelier J., 1975. Sur L’analyse de Mesures Recueillies Dans des Sites Failles: L’utilite D’une Confrontation Entre les Methodes Dynamiques et Cinematiquues. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 281, 1805−1808.Angelier J., 1975. Sur L’analyse de Mesures Recueillies Dans des Sites Failles: L’utilite D’une Confrontation Entre les Methodes Dynamiques et Cinematiquues. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 281, 1805−1808.Angelier J., 1989. From Orientation to Magnitude in Paleostress Determinations Using Fault Slip Data. Journal of Structural Geology 11 (1–2), 37−49. https://doi.org/10.1016/0191-8141(89)90034-5.Angelier J., 1989. From Orientation to Magnitude in Paleostress Determinations Using Fault Slip Data. Journal of Structural Geology 11 (1–2), 37−49. https://doi.org/10.1016/0191-8141(89)90034-5.Arthaud F., 1969. Methode de Determination Graphique des Directions de Raccourcissement, D’allogement et Intermediare D’une Population de Failles. Bulletin de la Société Géologique de France S7-XI (5), 729−737. https://doi.org/10.2113/gssgfbull.S7-XI.5.729.Arthaud F., 1969. Methode de Determination Graphique des Directions de Raccourcissement, D’allogement et Intermediare D’une Population de Failles. Bulletin de la Société Géologique de France S7-XI (5), 729−737. https://doi.org/10.2113/gssgfbull.S7-XI.5.729.Brace W.F., 1978. Volume Changes during Fracture and Frictional Sliding: A Review. Pure and Applied Geophysics 116, 603−614. https://doi.org/10.1007/BF00876527.Brace W.F., 1978. Volume Changes during Fracture and Frictional Sliding: A Review. Pure and Applied Geophysics 116, 603−614. https://doi.org/10.1007/BF00876527.Byerlee J.D., 1978. Friction of Rocks. Pure and Applied Geophysics 116, 615–626. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-7182-2_4.Byerlee J.D., 1978. Friction of Rocks. Pure and Applied Geophysics 116, 615–626. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-7182-2_4.Carey E., Bruneier B., 1974. Analyse Theorique et Numerique d’un Modele Mecanique Elementaire Applique a L’etude D’une Populaton de Failles. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 279, 891−894.Carey E., Bruneier B., 1974. Analyse Theorique et Numerique d’un Modele Mecanique Elementaire Applique a L’etude D’une Populaton de Failles. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 279, 891−894.Gephart J.W., Forsyth D.W., 1984. An Improved Method for Determining the Regional Stress Tensor Using Earthquake Focal Mechanism Data: Application to the San Fernando Earthquake Sequence. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 89 (B11), 9305–9320. https://doi.org/10.1029/JB089iB11p09305.Gephart J.W., Forsyth D.W., 1984. An Improved Method for Determining the Regional Stress Tensor Using Earthquake Focal Mechanism Data: Application to the San Fernando Earthquake Sequence. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 89 (B11), 9305–9320. https://doi.org/10.1029/JB089iB11p09305.Глинский М.Л., Егорова В.А., Чертков Л.Г., Зубков А.А., Данилов В.В., Заведий Т.Ю., Захарова Е.В. Мониторинг подземного хранилища жидких радиоактивных отходов Сибирского химического комбината // Разведка и охрана недр. 2013. № 10. С. 66–71.Glinskiy M.L., Egorova V.A., Chertkov L.G., Zubkov A.A., Danilov V.V., Zavodiy T.Yu., Zakharova E.V., 2013. Monitoring of Underground Liquid Radioactive Waste Repository Produced by Siberian Chemical Plant. Prospect and Protection of Mineral Resources 10, 66–71 (in Russian)Гогоненков Г.Н., Кашик А.С., Тимурзиев А.И. Горизонтальные сдвиги фундамента Западной Сибири // Геология нефти и газа. 2007. № 3. С. 3–11.Gogonenkov G.N., Kashik A.S., Timurziev A.I., 2007. Horizontal Displacements of West Siberia’s Basement. Russian Oil and Gas Geology 3, 3–11 (in Russian)Гущенко О.И. Кинематический принцип реконструкции направлений главных напряжений (по геологическим и сейсмологическим данным) // Доклады АН СССР. 1975. Т. 225. № 3. С. 557–560.Gushchenko O.I., 1975. Kinematic Principle for Reconstructing Directions of Principal Stresses (from Geological and Seismological Data). Doklady of the USSR Academy of Sciences 225 (3), 557–560 (in Russian)Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 536 с.Gzovsky M.V., 1975. Fundamentals of Tectonophysics. Nauka, Moscow, 536 p. (in Russian)Киссин И.Г. Флюиды в земной коре: геофизический и тектонический аспекты. М.: Наука, 2009. 329 с.Kissin I.G., 2009. Fluids in the Earth’s Crust: Geophysical and Tectonical Aspects. Nauka, Moscow, 329 p. (in Russian)Кожурин А.И. Активная геодинамика северо-западного сектора Тихоокеанского тектонического пояса (по данным изучения активных разломов): Дис. … докт. геол.-мин. наук. М., 2013. 131 с.Kozhurin A.I., 2013. Active Geodynamics of the Northwestern Sector of the Pacific Tectonic Belt (According to the Data of the Study of Active Faults). PhD Thesis (Doctor of Geology and Mineralogy). Moscow, 131 p. (in Russian)Lisle R., 1987. Principal Stress Orientation from Faults: An Additional Constrain. Annales Tectonicae 1 (2), 155−158.Lisle R., 1987. Principal Stress Orientation from Faults: An Additional Constrain. Annales Tectonicae 1 (2), 155−158.Marrett R., Allmendinger R.W., 1990. Kinematic Analysis of Fault Slip Data. Journal of Structural Geology 12 (8), 973–986. https://doi.org/10.1016/0191-8141(90)90093-E.Marrett R., Allmendinger R.W., 1990. Kinematic Analysis of Fault Slip Data. Journal of Structural Geology 12 (8), 973–986. https://doi.org/10.1016/0191-8141(90)90093-E.Michael A.J., 1984. Determination of Stress from Slip Data: Faults and Folds. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 89 (B13), 11517–11526. https://doi.org/10.1029/JB089iB13p11517.Michael A.J., 1984. Determination of Stress from Slip Data: Faults and Folds. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 89 (B13), 11517–11526. https://doi.org/10.1029/JB089iB13p11517.Michael A.J., 1987a. Stress Rotation during the Coalinga Aftershock Sequence. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92 (B8), 7963–7979. https://doi.org/10.1029/JB092iB08p07963.Michael A.J., 1987a. Stress Rotation during the Coalinga Aftershock Sequence. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92 (B8), 7963–7979. https://doi.org/10.1029/JB092iB08p07963.Michael A.J., 1987b. The Use of Focal Mechanisms to Determine Stress: A Control Study. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92 (1), 357–368. https://doi.org/10.1029/JB092iB01p00357.Michael A.J., 1987b. The Use of Focal Mechanisms to Determine Stress: A Control Study. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92 (1), 357–368. https://doi.org/10.1029/JB092iB01p00357.Михайлова А.В. Геодинамические характеристики структур, образовавшихся в слое над активными разломами фундамента // Геофизика XXI столетия: 2006 год. Сборник трудов Восьмых геофизических чтений им. В.В. Федынского (2–4 марта, 2006 г.). Тверь: ГЕРС, 2007. С. 111–118.Mikhailova A.V., 2007. Geodynamic Characteristics of Structures Formed in the Layer above Active Faults in the Basement. In: Geophysics of the XXI Century: The Year of 2006. Proceedings of the Eighth Geophysical Readings Named after V.V. Fedynsky (March 02–04, 2006). GERS, Tver, p. 111–118 (in Russian)Карта новейшей тектоники Северной Евразии. Масштаб 1:5000000. М.: ОИФЗ РАН, 1997.Neotectonic Map of Northern Eurasia, 1997. 1:5000000 Scale. Joint Institute of Physics of the Earth RAS, Moscow (in Russian)Ребецкий Ю.Л. Напряженное состояние слоя при продольном горизонтальном сдвиге блоков его фундамента // Поля напряжений и деформаций в земной коре / Ред. Ю.Д. Буланже. М.: Наука, 1987. С. 41–57.Rebetsky Yu.L., 1987. The Stress State of a Layer during a Longitudinal Horizontal Shift of Its Foundation Blocks. In: Yu.D. Boulanger (Ed.), Fields of Stress and Deformation in the Earth’s Crust. Nauka, Moscow, p. 41–57 (in Russian)Rebetsky Yu.L., 1988. Stress State of the Layer with Longitudinal Shear. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 24 (9), 698–703.Rebetsky Yu.L., 1988. Stress State of the Layer with Longitudinal Shear. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 24 (9), 698–703.Rebetsky Yu.L., 1997. Reconstruction of Tectonic Stresses and Seismotectonic Strain: Methodical Fundamentals, Current Stress Field of Southeastern Asia and Oceania. Doklady of the Russian Academy of Science 354 (4), 560–563.Rebetsky Yu.L., 1997. Reconstruction of Tectonic Stresses and Seismotectonic Strain: Methodical Fundamentals, Current Stress Field of Southeastern Asia and Oceania. Doklady of the Russian Academy of Science 354 (4), 560–563.Rebetsky Yu.L., 1999. Methods for Reconstructing Tectonic Stresses and Seismotectonic Deformations Based on the Modern Theory of Plasticity. Doklady Earth Sciences 365 (3), 370–373.Rebetsky Yu.L., 1999. Methods for Reconstructing Tectonic Stresses and Seismotectonic Deformations Based on the Modern Theory of Plasticity. Doklady Earth Sciences 365 (3), 370–373.Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и прочность горных массивов. М.: Наука, 2007. 406 с.Rebetsky Yu.L., 2007. Tectonic Stresses and Strength of Mountain Ranges. Nauka, Moscow, 406 p. (in Russian)Ребецкий Ю.Л., Михайлова А.В. Роль сил гравитации в формировании структур разрушения в глубине зон сдвигания // Геодинамика и тектонофизика. 2011. T. 2. № 1. C. 46–67. https://doi.org/10.5800/GT-2011-2-1-0033.Rebetsky Yu.L., Mikhailova A.V., 2011. The Role of Gravity in Formation of Deep Structure of Shear Zones. Geodynamics & Tectonophysics 2 (1), 45–67 (in Russian) https://doi.org/10.5800/GT-2011-2-1-0033.Rebetsky Yu.L., Mikhailova A.V., 2014. Deep Heterogeneity of the Stress State in the Horizontal Shear Zones. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 50, 824–838. https://doi.org/10.1134/S1069351314060068.Rebetsky Yu.L., Mikhailova A.V., 2014. Deep Heterogeneity of the Stress State in the Horizontal Shear Zones. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 50, 824–838. https://doi.org/10.1134/S1069351314060068.Rebetsky Yu.L., Mikhailova A.V., Rosanova G.V., Fursova E.V., 1997. II. Stress-Monitoring: The Modern Field of Regional Stresses in South-East Asia and Oceania. Principles of Quasiplastic Deforming of Fractured Media. Journal of Earthquake Prediction Research 6 (1), 11–36.Rebetsky Yu.L., Mikhailova A.V., Rosanova G.V., Fursova E.V., 1997. II. Stress-Monitoring: The Modern Field of Regional Stresses in South-East Asia and Oceania. Principles of Quasiplastic Deforming of Fractured Media. Journal of Earthquake Prediction Research 6 (1), 11–36.Reches Z., 1978. Analysis of Faulting in Three-Dimensional Strain Field. Tectonophysics 47 (1–2), 109–129.Reches Z., 1978. Analysis of Faulting in Three-Dimensional Strain Field. Tectonophysics 47 (1–2), 109–129.Reches Z., 1983. Faulting of Rock in Three-Dimensional Strain Fields II. Theoretical Analysis. Tectonophysics 95 (1–2), 133–156. https://doi.org/10.1016/0040-1951(83)90264-0.Reches Z., 1983. Faulting of Rock in Three-Dimensional Strain Fields II. Theoretical Analysis. Tectonophysics 95 (1–2), 133–156. https://doi.org/10.1016/0040-1951(83)90264-0.Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). Новосибирск: Наука, 1983. 112 с.Sherman S.I., Bornyakov S.A., Buddo V.Yu., 1983. Areas of Dynamic Influence of Faults (Modelling Results). Nauka, Novosibirsk, 112 р. (in Russian)Сим Л.А. Изучение тектонических напряжений по геологическим индикаторам (методы, результаты, рекомендации) // Известия вузов. Геология и разведка. 1991. № 10. С. 3–22.Sim L.A., 1991. The Study of Tectonic Stresses by Geological Indicators (Methods, Results, Recommendations). Proceedings of Higher Educational Establishments. Geology and Exploration 10, 3–22 (in Russia)Сим Л.А. Влияние глобального тектогенеза на новейшее напряженное состояние платформ Европы // М.В. Гзовский и развитие тектонофизики / Ред. Ю.Г. Леонов. М.: Наука, 2000. С. 326–350.Sim L.A., 2000. The Influence of Global Tectogenesis on the Latest Tense State of the Platforms of Europe. In: Yu.G. Leonov (Ed.), M.V. Gzovsky and the Development of Tectonophysics. Nauka, Moscow, p. 326–350 (in Russia)Сим Л.А., Брянцева Г.В. Новейшая тектоника и неотектонические напряжения севера Западно-Сибирской плиты // Бюллетень МОИП. Отдел Геологический. 2007. Т. 82. № 6. С. 3–10.Sim L.A., Bryantseva G.V., 2007. The Latest Tectonics and Neotectonic Stresses of the North of the West Siberian Plate. Bulletin of Moscow Society of Naturalists. Geological Section 82 (6), 3–10 (in Russian)Stefanov Yu.P., Bakeev R.A., Rebetsky Yu.L., Kontorovich V.A., 2014. Structure and Formation Stages of a Fault Zone in a Geomedium Layer in Strike-Slip Displacement of the Basement. Physical Mesomechanics 17, 204–215. https://doi.org/10.1134/S1029959914030059.Stefanov Yu.P., Bakeev R.A., Rebetsky Yu.L., Kontorovich V.A., 2014. Structure and Formation Stages of a Fault Zone in a Geomedium Layer in Strike-Slip Displacement of the Basement. Physical Mesomechanics 17, 204–215. https://doi.org/10.1134/S1029959914030059.Трифонов В.Г., Кожурин А.И., Лукина Н.В. Изучение и картирование активных разломов // Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. 1993. Вып. 1. C. 196–206.Trifonov V.G., Kozhurin A.I., Lukina N.V., 1993. Study and Mapping of Active Faults. In: Seismicity and Seismic Zoning of North Eurasia. Vol. 1. P. 196–206 (in Russian)Юнга С.Л. О механизме деформирования сейсмоактивного объема земной коры // Известия АН СССР. Физика Земли. 1979. № 10. С. 14–23.Yunga S.L., 1979. On the Mechanism of Deformation of a Seismically Active Volume of the Crust. Bulletin of the USSR Academy of Sciences. Physics of the Earth 10, 14–23 (in Russian)Жалковский Н.Д., Кучай О.А., Мучная В.И. Сейсмичность и некоторые xаpактеpиcтики напряженного состояния земной коpы Алтае-Саянской области // Геология и геофизика. 1995. Т. 10. № 36. С. 20–30.Zhalkovsky N.D., Kuchai O.A., Muchnaya V.I., 1995. Seismicity and Some Characteristics of the Stress State of the Earth’s Crust of the Altai-Sayan Region. Russian Geology and Geophysics 10 (36), 20–30 (in Russian)Жалковский Н.Д., Мучная В.И. Некоторые результаты макросейсмических исследований сильных землетрясений Алтае-Саянской области // Сейсмичность Алтае-Саянской области: Сборник научных трудов / Ред. В.Н. Гайский. Новосибирск: Изд-во ИГиГ АН СССР. 1975. С. 5−15.Zhalkovsky N.D., Muchnaya V.I., 1975. Some Results of Macroseismic Studies of Strong Earthquakes in the Altai-Sayan Region. In: V.N. Gaisky (Ed.), Seismicity of the Altai-Sayan Region. Collection of Scientific Papers. Institute of Geology and Geophysics of the USSR Academy of Sciences, Novosibirsk, p. 5–15 (in Russian)Zoback M.D., 2007. Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 505 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511586477.Zoback M.D., 2007. Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 505 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511586477.Зубков А.А., Лукин А.А., Гусев Е.В., Черняев Е.В. История инженерно-геологического обеспечения полигонов захоронения жидких радиоактивных отходов Сибирского химического комбината // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 2. C. 194–200.Zubkov A.A., Lukin A.A., Gusev E.V., Chernyaev E.V., 2005. History of Engineering and Geological Provision of the Polygon for Underground Disposal of Liquid Radioactive Wastes of the Siberian Chemical Plant. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University 308 (2), 194–200 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.