Российские ученые впервые сформулировали «универсальный закон» разрушения горных пород. Исследовав Приморский разлом Байкальской рифтовой зоны, специалисты математически описали механизм образования трещин и разломов. Созданную на основе этих данных модель можно использовать для прогнозирования зон возможного зарождения землетрясений, а также для повышения эффективности добычи полезных ископаемых. При этом эксперты отмечают, что до практического внедрения необходимо дополнительно проверить заявленный принцип универсальности, поскольку на сейсмические процессы влияет множество факторов.
Универсальный принцип разрушения горных пород
Ученые из Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН и Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН впервые описали математические принципы, по которым разрушаются горные породы. Они провели исследование в районе Приморского разлома Байкальской рифтовой зоны.
Это крупный региональный разлом, который протянулся более чем на 250 км вдоль западного берега озера Байкал. Несмотря на то что рифтовая зона начала формироваться еще 65–60 млн лет назад, здесь до сих пор сохраняется высокая сейсмическая активность.
Исследователи собрали образцы горных пород вдоль 160-километрового участка разлома и проанализировали их на разных масштабах. На микроскопическом уровне ученые изучили структуру и характер трещин в минералах циркона. Этот минерал отличается высокой твердостью и сам по себе практически не разрушается, однако растрескивается при сейсмических деформациях породы.
Кандидат геолого-минералогических наук Антонина Григорьева. Источник: Дмитрий Павлов / ИДГ РАН
Помимо этого, специалисты исследовали тонкие прозрачные пластинки (шлифы) горных пород, обнажения скал и существующие для этой зоны цифровые модели рельефа района, на которых различимы трещины протяженностью в десятки километров. Такой многоуровневый подход позволил проследить процесс разрушения и дробления горных пород от образования микроскопических трещин в кристаллах до гигантских разломов в земной коре.
Кандидат физико-математических наук Алексей Остапчук. Источник: Дмитрий Павлов / ИДГ РАН
Исследователи с помощью нейросетей проанализировали тысячи изображений и разметили на них границы и размеры трещин в породах. Затем алгоритм выделил замкнутые области, ограниченные этими трещинами, — именно их ученые рассматривали как потенциальные фрагменты, на которые распадается порода. После этого с помощью методов математической статистики специалисты проверили, какой теоретический закон наиболее точно описывает распределение таких фрагментов по размерам.
В результате ученые установили, что разрушение горных пород не подчиняется классическому принципу фрактальности. В частности, при дроблении образуется значительно меньше мелких фрагментов, чем предсказывают существующие модели. При этом выявленная закономерность сохранялась на всех исследованных масштабах — от микротрещин в отдельных кристаллах до крупных разломов в скальных массивах.
— Таким образом, мы впервые показали, что горные породы на разных масштабах рассмотрения — от микрометров до десятков километров — разрушаются по универсальному закону, отличному от ранее предполагавшегося принципа фрактальности. Предложенная нами модель поможет точнее предсказывать поведение разломов и зарождение землетрясений, а также гидрологические свойства пород в местах добычи полезных ископаемых, — рассказал доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории деформационных процессов в земной коре Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН Геворг Кочарян.
Доктор геолого-минералогических наук Валерий Ружич. Источник: Дмитрий Павлов / ИДГ РАН
Перспектива метода для геологоразведки и сейсмологии
Предложенная авторами кинетическая модель разрушения горных пород в зонах разломов лучше соответствует физике процесса, где крупные блоки содержат больше дефектов и разрушаются легче, чем мелкие. Это объясняет, почему в зоне разломов образуется значительно меньше пыли, чем предполагает классическая фрактальная модель, рассказал «Известиям» доцент кафедры геологии месторождений и методики разведки Института горного дела Сибирского федерального университета Станислав Макеев.
— С практической точки зрения последняя закономерность указывает на то, что на образование новых свободных поверхностей при разрушении горных пород затрачивается меньшая доля сейсмической энергии, чем считалось раньше. И этот факт необходимо учитывать для более правильной оценки энергетического баланса в зонах разрыва при прогнозировании очагов землетрясений. В геологоразведке углеводородов выявленная закономерность также может найти применение для прогноза фильтрационных свойств пород, — сказал специалист.
Однако для окончательного доказательства существования нового закона не хватает доказательной базы и подтверждения закономерностей, отметил профессор кафедры геологии, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Уральского государственного горного университета, доктор геолого-минералогических наук Анатолий Макаров.
— Вызывает сомнения универсальность заявленного принципа, ведь трещины образуются в результате разных процессов. Кроме того, ученые изучали район Байкала, а это относительно молодая структура, поэтому очень важно учитывать различия в геологических позициях территорий. На Урале, например, ситуация будет иной, — подчеркнул эксперт.
По его словам, для геологоразведки принцип разрушения горных пород определяющего значения не имеет. Что касается землетрясений, то важно понимать, что они бывают разных видов: не обязательно тектонические, а, например, вулканические, обвальные, антропогенные и так далее. Сводить все причины к процессу формирования трещин не стоит, поскольку это существенно ограничивает наши возможности прогнозирования, добавил специалист.
Предложенная математическая модель может стать основой для создания инструментов искусственного интеллекта, применяемых в геологии и сейсмологии. Основная проблема использования ИИ для изучения природных закономерностей заключается в недостатке данных, рассказал «Известиям» кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института AIRI Илья Копаничук.
— В отличие от интернета с его уже сформированными потоками информации, природа неохотно раскрывает свои закономерности. Полевые эксперименты не всегда возможны, а доставка образцов в лабораторию обходится дорого и не гарантирует воспроизводимости результатов. Математическое моделирование решает эту проблему, выступая генератором синтетических данных для физиков, — добавил эксперт.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
