Оглы статические и кинематические основы сейсмической геодинамики очаговых зон землетрясений и пространственно-временного прогнозирования

Вид материала

Автореферат

Содержание Официальные оппоненты Общая характеристика работы Актуальность работы. Цель исследования. Направления исследований. Методология и методики. Основные гипотезы. Научная новизна. Основные защищаемые положения. Практическая значимость. Реализация результатов. Апробация работы Личный вклад автора. Структура и объем диссертации Глава 1. Проблемы сейсмологии и геодинамики очаговых зон землетрясений. Глава 2. Многоволновые методы структурной сейсмологии при моделировании неоднородностей среды землетрясений. Глава 3. Сейсмические модели деформационных структур среды очаговых зон землетрясений. Глава 5. Сейсмологические модели геодинамики масштабных процессов подготовки очаговых зон землетрясений. Основные выводы

Подобный материал:

• Рассмотрен астрологический метод прогнозирования землетрясений, 164.48kb.
• Статистический анализ сейсмической активности прибайкалья the statistical analysis, 184.81kb.
• Землетрясений с определенностью можно утверждать, что исследованиями последних десятилетий, 155.53kb.
• Тема занятия, 28.84kb.
• Теоретические и методологические аспекты кинематики тахионов, 207.37kb.
• 3 глава теоретические основы макроэкономического планирования и прогнозирования, 1661.1kb.
• Экзаменационные вопросы по дисциплине «Основы социального прогнозирования», 22.18kb.
• Методы автоматизированного проектирования системы прогнозирования землетрясений 05., 315.41kb.
• Задача прогнозирования значений временного ряда чаще всего предполагает использование, 148.11kb.
• Федеральные целевые социальные программы, особенности их разработки. Методологические, 22.27kb.

На правах рукописи


БАБАЗАДЕ ОКТАЙ БАБА ОГЛЫ


СТАТИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЙСМИЧЕСКОЙ

ГЕОДИНАМИКИ ОЧАГОВЫХ ЗОН ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ


Специальность: 25.00.10  геофизика, геофизические методы поисков

полезных ископаемых


Автореферат


диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук


Москва - 2010

Работа выполнена в Национальной Академии Наук Азербайджана и "Центре Сейсмологии и Физики Земли", г. Баку.


Официальные оппоненты:


доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН,

профессор Соболев Геннадий Александрович


доктор физико-математических наук

Ротвайн Ирина Михайловна


доктор физико-математических

наук, член-корреспондент АН

Республики Таджикистан

Мирзоев Камиль Мамедович


Ведущая организация:

Институт геоэкологии РАН, г.Москва


Защита состоится 31 марта 2011 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.118.01 при Международном институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН по адресу: Россия, 117997, г.Москва, ул.Профсоюзная 84/32


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТП РАН.


Автореферат разослан____ февраля 2011 г.


Ученый секретарь Диссертационного Совета Д. 002.118.01


доктор физико-математических наук П.Н. Шебалин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Постановка проблемы.

Создание модели деформации и землетрясений земной коры, происходящих в огромных объемах неоднородной среды в поле силы тяжести является важнейшей проблемой геофизики, сейсморазведки и сейсмологии. Эти проблемы невозможно решать без знания особенностей структуры неоднородностей среды и свойств объема очага и зон подготовки будущего землетрясения.

Возможность прогноза землетрясений сегодня зависит от возможности обнаружить процесс подготовки еще не проявившего себя очага и выявить по близким и далеким предвестникам время формирования (пробуждения) собственно очага и фазы развивающихся очаговых зон. При изучении природы и механизма большинства динамических явлений необходимо решать обратные задачи - по конечному результату эффекта восстанавливать исходную модель, И очевидно, что проблема создания единственной общей модели подготовки землетрясения должна осуществляться через геодинамику ее очаговых зон и логически должна включать в себя несколько частных моделей, не вступающих в противоречие, а дополняющих одна другую, и обладать прогностической силой. При этом главная трудность проблемы – установление блочно-иерархической глубинной структуры не только в пространстве, но и в пространстве – времени. Такие общие модели подготовки отдельного крупного землетрясения важно построить в сочетании с ведущими процессами - сейсмическим режимом, с другими аномалиями геофизических, геохимических и геодинамических полей в большом объеме земной коры за значительные промежутки времени. И, естественно, при этом следует ожидать более подробных и более точных моделей конкретно для различных региональных геодинамических обстановок с тензочувствительными геолого-геофизическими условиями. Поэтому в решении этих новых сложнейших проблем геодинамики очаговых зон, и в частности их прогноза, без экспериментальных исследований иерархических динамических объемов структурно-физических неоднородностей, изменений их размеров, формы, контрастности физических свойств и процессов подготовки землетрясений в земной коре, сейсмологии - структурной и очаговой, должна принадлежать выдающаяся роль в ряду других геофизических методов.

Актуальность работы.

Актуальность диссертации имеет практический и теоретический аспекты. Практический аспект определен исключительной важностью снижения сейсмического риска, основанного на повышении точности и надежности выявления очаговых зон готовящихся разрушительных землетрясений, оценки сейсмической опасности территории и точности прогноза места и времени сильнейших землетрясений. Теоретический аспект работы вытекает из ставшей очевидной в последние годы невозможности объяснить возникновение землетрясений в рамках теорий, традиционно рассматривающих лишь локальные процессы их подготовки и без изучения соответствующей иерархической структуры земной коры, как самих зонах очагов сильных землетрясений, так и на прилегающих территориях более широких пространственно-временных рамках. Исходя из следствия фундаментального для сейсмологии закона повторяемости землетрясений утверждается (Садовский М.А., 1989), что накапливается потенциальная энергия в структурных объемах, распределяясь приблизительно равномерно по размерам поверхностей тех объемов, которые соответствуют очаговым зонам землетрясений, а диссипируется в основном на иерархической системе поверхностей. Поэтому причины природы землетрясений прежде всего необходимо искать в объемах их главных очагов и развивающихся очаговых зонах сейсмичности. Прогноз очаговых зон готовящихся сильных землетрясений во многом зависит от переноса приоритета в исследованиях с поиска предвестников землетрясений на изучение геомеханических и физических процессов подготовки главных очагов и их развивающихся зон, происходящих в конкретных блоковых структурах. Изучение блокового строения структуры очаговых зон, современных движений земной коры и сейсмического режима в приложении к процессам подготовки землетрясений – еще одно важное направление. Вместе с тем актуальны также традиционные комплексные исследования пространственного распределения разнообразных предвестников и их теоретического осмысливания для понимания природы предвестников выяснения связи их характеристик с размерами очага. При этом особо важной является трактовка геодинамических процессов деформации земной коры, происходящих в сейсмическом очаге и на больших пространствах вне очага в процессе подготовки землетрясения, во время и после его реализации. Только геодинамическая закономерность приложима ко всем явлениям вообще и к каждому в отдельности, но именно геодинамические закономерности не установлены для зон подготовки землетрясений в гипоцентре на разломе, очаге и вне его, на обширных и долгоживущих областях. Парадокс положения в том, что до сих пор не сформировалась специального сейсмологического и геодинамического направлений, изучающих такие сложные, самоорганизующиеся тройные системы структур и процессы, как очаговые зоны сейсмичности готовящихся главных очагов землетрясений. Разработка количественных моделей процессов подготовки землетрясений и очагов, как общие, так и для конкретных геофизических условий невозможна без экспериментального исследования в натуре процессов в коре, и важное место при этом должно отводиться развитию комплекса сейсмических и сеймологических методов и соответствующих моделей геодинамики очаговых зон землетрясений. Данное исследование относится к области специальной сейсмической геодинамики развивающихся очаговых зон подготовки землетрясения. Для обоснования и разработки этого нового и перспективного научного направления в своих построениях она должна опираться прежде всего на данные о современном строении, составе и физических свойствах среды формирования очаговых зон землетрясений. Для этого аспекта геодинамики очаговых зон (статический) предмет исследования должны составлять проблемы структурно-физических неоднородностей, включая блоки и разломы, внутреннее строение, объемы и оконтуривание элементов очаговой зоны, конфигурации формы, вещественный состав, состояние реологии и т.п. Без знания формы границ очаговой зоны, к которым приложены силы, вызывающие землетрясения, нельзя определять однозначно напряжения, даже если смещения заданы в каждой точке поверхности. Следовательно, для интерпретации наблюдаемых деформаций необходимо знать модель структуры среды очага землетрясения. Сейсмическая геодинамика должна опираться также на данные изучения движения земной поверхности в современную эпоху и в историческом прошлом (кинетический аспект). Этот второй аспект дает, собственно, представление о динамике физических процессов, протекающих в очаговых зонах землетрясений. Оба аспекта представлений основываются на информации, получаемой геофизическими методами – главным образом методами структурной и очаговой сейсмологии. Без создания правильных детальных моделей геологической среды и реальных моделей процессов подготовки землетрясений сейсмология лишена своей методологической основы. Конечной целью исследований являются создание системных моделей геодинамики очаговых зон землетрясений, компоненты которых являются многофакторными и взаимосвязанными с переносом центра тяжести исследований на решение генетических и прогнозных задач. В качестве самостоятельного объекта, характеризующегося единством сейсмогеодинамического развития, выбран Кавказско-Иранский регион, включая Каспийское море, и его отдельные части территорий разномасштабного уровня, соизмеримые с площадями ответственными за возникновение землетрясений различного ранга магнитуд от 5 до 9 включительно. Подрегионы выбранного объекта содержат набор происшедших сильных землетрясений разных диапазонов магнитуд до М8, с соответственно разными размерами областей проявления очаговых зон и разнообразной сейсмичностью и сейсмическим режимом. Особую важность здесь имеет комплексное изучение вариаций геофизических полей в их связи со строением земной коры и процессами подготовки сильных землетрясений. Поэтому системное изучение геодинамических процессов деформации в их связи с неоднородно-блоковым строением земной коры, естественными и техногенными воздействиями в их выраженности в сейсмическом, вулканическом, геохимическом, гидрогеодинамическом режиме и распределении размещения полезных ископаемых имеет исключительное фундаментальное научное и практическое значение, актуальность.

Цель исследования.

Разработка региональных системных геодинамических моделей прогноза очаговых зон готовящихся сильных землетрясений на основе развития и применения новых методов детального выявления и комплексного подхода к изучению закономерностей структуры и движений блоковой среды по данным глубинной многоволновой сейсмики и режима параметров сейсмологических и геофизических процессов с учетом масштабности и единства их проявления. Важно исследовать закономерности, связывающие строение земной коры и происходящие в ней сейсмологические, геофизические и другие геодинамические процессы в периоды подготовки землетрясений, и стадии последействия; установить связь структурных направляющих эволюции процессов с характерными размерами и свойствами межблочных границ в развивающихся очаговых зонах, с долговременной сейсмической активностью и с факторами определения причин землетрясений, их предвестников, последствий и возможно нефтегазоносности, рудоносности и экологии.

Направления исследований.

Разработка метода многоволнового ГСЗ, повышение детальности и надежности исследований структуры и региональных особенностей, связанных с сейсмичностью, грязевым вулканизмом и нефтегазоносностью.

Изучение временных изменений геофизических полей в земной коре как показателя геодинамической активности.

Разработка и проверка ретроспективным анализом новых пространственно-временных моделей сейсмогеодинамических процессов, в частности повышение эффективности выделения зон возможного возникновения сильного землетрясения (ВОЗ), уточнить положение известных и выявить новые зоны.

Совершенствование динамических методов оценки параметров сильных землетрясений и методов детального сейсморайонирования для территорий строительства особо важных объектов.

Методология и методики.

Методологическую основу исследования составляет предложенный целостный системный подход и комплексный анализ, как пространственного выделения геолого-геофизическими, в основном модифицированными, методами ГСЗ блоково-разломных структур очагов и очаговых зон готовящихся землетрясений, так и выявления мониторинговыми методами пространственно-временных динамических структурных образований в сейсмологических полях землетрясений, сейсмоскоростей, геофизических, гидрогеологических, геохимических и геодинамических аномальных проявлениях процессов. Разработаны также методы последующего корректного соотнесения результатов прогноза глубинной структуры среды и динамики физических процессов, происходящих в глубинном очаге и вне его, в более широких пространственных рамках, в процессе подготовки землетрясения, во время и после его реализации. Новые сейсмические методы направлены на построение и создание моделей, основанных как на многоволновом принципе, так и на распределениях скоростных параметров. Скоростные модели явились исходными для разработки и применения методов оценки статического решения напряженного состояния среды по данным сейсморазведки, выявления локальных особенностей среды формирования очаговых зон, восстановления формы объемов этих зон, определения их энергетических потенциалов, а также методов построения многопараметрических геофизических моделей и локальных сейсмических годографов на основе математического моделирования для оценки глубин фокуса землетрясений. Исследование структуры и процессов подготовки землетрясений производилось по многомерным системам геофизического мониторинга с применением и формализованных методов анализа на основе современных программных средств, как существующих, так и специально разработанных алгоритмов.

Основные гипотезы.

Идея работы основывается на гипотезах: подготовки землетрясений, развивающихся очаговых зонах, их предвестниковых явлений - кольцевой активизации и затишья, консолидационной, лавинно-неустойчевого состояния и разломно-дилатансионного развития процесса деформирования в объеме области подготовки очага и зонах проявления аномалий геофизических полей; возможности образования динамических постранственно-временных структур в геофизических полях, отображающих реакцию геофизической среды на изменения в кинетике деформационного и сейсмического процессов в связи с подготовкой сильного землетрясения; геофизической блочно-иерархической среды, и иерархичности сейсмического процесса; долговременной сейсмической опасности на основе анализа главных параметров сейсмического режима и определения максимальных возможных землетрясений по комплексным сейсмолого-геолого-геофизическим данным; деформационных волн; накопления полей напряжений; развития сейсмического цикла, повторяемости землетрясений, возникновения и динамики сейсмической бреши, сейсмического режима, взаимосвязи сильных землетрясений из разных тектонических структур, последовательностей удаленных и близких иерархически слабых землетрясений – предвестников готовящегося главного очага, а также о происхождении землетрясений, эндогенно-очаговой геодинамики радиально-концентрических структур центрального типа; глубинных разломов на вертикальных, горизонтальных и каркасных поверхностях иерархической системы совокупностей блоков различного ранга; очаговых и поверхностных дилатансионных зон вариаций аномалий геофизических полей.

Научная новизна.

1. Принципиальная научная новизна в решении поставленной проблемы и задач заключается в системном подходе к получению, обработке и комплексному анализу геолого-геофизической и сейсмологической информации на всех уровнях достигнутых современными техническими средствами о возникновении упорядоченных структур и форм движений из первоначально случайных, нерегулируемых. Причем динамическая система очаговых зон готовящихся сильных землетрясений, где это происходит, как целое приобретает свойства, отсутствующие у ее частей. Разработанная методика интерпретации геофизических, в особенности, сейсмических и сейсмологических данных, значительно расширяющая возможности также ретроспективного анализа геодинамических обстановок формирования очагов главных землетрясений и зон их подготовки.
   
2. В части структурных построений – использование глубинной блоковой модели, в которой отражены особенности, свойственные разномасштабным сейсмоактивным регионам Кавказа, Каспийского моря и прилегающих территорий.
   
3. В части изучения геодинамической эволюции – учет пространственно-временного комплексного характера и сложных взаимных связей геофизических полей и протекающих динамических процессов.
   
4. В части детального изучения сейсмической активности – новые методы выявления зон ВОЗ, основанные на характерных закономерностях, выявленных для локальных и региональных зон подготовки Кавказско-Каспийских и других известных землетрясений мира.
   
5. В части детального исследования характера сейсмического воздействия землетрясений – изучение сейсмического эффекта на типовых грунтах Апшерона в зависимости от положения очаговых областей и генерируемых ими сильных землетрясений.
   

Основные защищаемые положения.

- Повышена эффективность сейсмических методов и ГСЗ, использованием новых приемов трехкомпонентных наблюдений, анализом волновых и геофизических полей, основанного на современных представлениях о разномасштабности и иерархичности блоков и структуры земной коры, системном подходе и комплексном моделировании геодинамических процессов в областях подготовки сильных землетрясений.

- Разработаны эффективные методы получения сесмогеологических, структурно-скоростных и многокомпонентных блоково-разломных моделей земной коры очаговых зон крупных землетрясений Кавказ-Каспийско-Иранского и других регионов. Осуществлено уточнение форшоковых и афтершоковых сейсморазломных узлов и зон.

- Создана новая физическая прогностическая модель геодинамики единого сейсмоактивного региона, основанная на движенческом взаимодействии блоков земной коры и эффектах их кинематической несовместимости.

- Создана новая методология сейсмологического мониторинга различных пространственно-временных особенностей геофизических процессов, происходящих в очаговой зоне готовящихся сильных землетрясений, включая процессы их подготовки и последействия.

- Построены новые пространственно-временные объемные модели разломно-блоковых структур очаговых зон и модели развития сейсмогеодинамических процессов, предшествующих сильным землетрясениям. Выявлены эффекты самоорганизации сейсмичности, группируемости и взаимосвязи землетрясений. Дан прогноз мест потенциально возможных крупных землетрясений и оценка времен повышенной вероятности их возникновения на примере Кавказско-Иранского региона.

Практическая значимость.

Практическая значимость определена следующими результатами:

- Созданием системы комплексного мониторинга динамики земной коры, включающего сейсмологический анализ последовательностей малых временных изменений скоростей распространения объемных сейсмических волн, изменения режима гидрогеодинамических и геохимических процессов, соотношения глубоких и поверхностных очагов, геодинамической активности грязевых вулканов, группируемости и взаимосвязанности землетрясений существенно повышена вероятность правильного прогноза сильных землетрясений, выявления новых зон ВОЗ, повышения точности карт детального сейсмического районирования.

- Созданием методики многоволновой сейсморазведки повышена точность и надежность поиска и разведки нефтегазовых месторождений.

Реализация результатов.

Все методические и результативные положения диссертации внедрены в геологические, геофизические, сейсмологические и экологические научные производственные государственные учреждения Азербайджана, Грузии, Армении, Ирана, Турции, России, Италии, Японии, Швейцарии, Швеции и других стран на различных этапах ее выполнения. Внедрения осуществлялись по официальному запросу, хоздоговарам, содружеству разных учреждений с руководимой более 20-ти лет автором лабораторией «Исследование очаговых зон землетрясений» и в виде отчетов, методических, результативных рекомендаций, экспертных заключений с приложением построенных масштабных карт, графиков, иногда даже первичной наблюдаемой информации (Бабазаде, 2007). Конкретно реализованы следующие результаты научных исследований:

Методика комплексного изучения глубинных разломов по геофизическим данным и методика дифрагированных волн в ГСЗ и многопризнаковом комплексе геофизических аномалий для моделирования разломов и блоков, а также карта систем глубинных разломов Азербайджана с объяснительной запиской, которая внедрена в практику геологоразведочных работ и геофизических исследований по прогнозу землетрясений, а также при построении моделей коры и верхней мантии Кавказского региона по геофизическим полям (монографический отчет пятилетней работы).

Впервые выделен, оконтуренный и обоснованный блок в консолидированной коре с повышенной скоростью, в плане совпадающий с наиболее приподнятой поверхностью фундамента в пределах Саатлинской локальной аномалии. По материалам сейсмических (ГСЗ, КМВП) исследований было рекомендовано конкретное местоположение сверхглубокой скважины (15км) и осуществлено бурение СГ-1.

Корреляционный метод прогнозирования сейсмической опасности по данным разломов и сейсмичности был широко использован при фундаментальных работах АН Азербайджана, ИФЗ АН СССР и ВНИИГеофизики (отчеты имеются в фондах указанных организаций). Внедрены рекомендации по выделению сейсмологических и сейсмоопасных зон территории Азерб. ССР с целью определения сейсмостойкости объектов гражданского и промышленного строительства, а также в карте сейсмического районирования территории Кавказа, являющейся составной частью карты СР-78 (СНиПII-7-81)).

Сейсмологические исследования станциями «Черепаха» в Шемахинской эпицентральной области принят к внедрению в практику последующих сейсмологических и геофизических работ партий по прогнозу землетрясений.

Результаты опытно-методических специализированных геолого-геофизических работ, вплоть до сейсмологических методов обнаружения изменений скоростей сейсмических волн от взрывов в пределах Исмаиллы-Шемахинской сейсмоактивной зоны по проблеме прогнозирования землетрясений в Азербайджане, выполненных по разработанной и внедренной программе.

В практику сейсмологических работ республиканского центра сейсмологической службы НАНА внедрена разработанная методика получения и использования локальных годографов объемных сейсмических волн на основе математического моделирования характеристик скоростных моделей блоков земной коры с учетом изменчивости параметров осадочного разреза очаговых зон южного склона восточной части Большого Кавказа. В изданиях сборника «Землетрясения Северной Евразии» за последние десятилетия в разделе «Азербайджан» расчеты представленных параметров землетрясений и особенно, глубин гипоцентров также стабильно проводились с использованием годографов «Бабазаде».

На базе развиваемых в работе идей осуществлено официальное руководство и подготовлено пять кандидатов наук. В 2010 г. успешно защищена еще одна диссертация на степень доктора философии на тему: Разработка моделей региональных разломов Каспийского моря по геофизическим аномалиям.

Стал одним из инициаторов создания Национального комитета геофизиков Азербайджана (МГГС), его генеральным секретарем с 1993 г., а также учредителем и Президентом ассоциации Центра сейсмологии и Физики Земли АР с 2002 г., финансовая поддержка которых способствовала обобщению и завершению диссертационной работы. Выполнение работ на разных этапах поддерживалось обществом СССР-Италия, программами АН СССР и Азербайджана, Национальным геофизическим Институтом Рима, грантами JSPS, Института исследований землетрясений Токийского университета , Токио, IASPEI, AСК, OOH, ЮНЕСКО, NATO, МНТЦ, IUGG, CRDF, INTAS, компаниями Швейцарии, Copernicus, GSHAP (программой со стороны Ирана) и других международных и республиканских организаций.