Geum.ru

Напряжения, деформации и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы байкальской рифтовой зоны 25. 00. 10 геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Напряженное состояние литосферы байкальской рифтовой
KР=7, 8, 9, 10 (Ключевский, Демьянович, 2004; 2006). В площадках 1, в предела которых произошло не менее 10 сейсмических соб
KР=9 в литосфере первого и второго районов. Средние сейсмические моменты землетрясений с K
KР=7, характеризующий через сейсмические моменты толчков с K
Подобный материал:
1   2   3   4

Динамические параметры очагов землетрясений чаще всего определяются при сравнении реальных спектров, вычисленных по записям аппаратуры, с теоретическими, соответствующими конкретной модели источника (Аки, Ричардс, 1983). При обработке сейсмограмм, спектрограмм и сглаженных амплитудных спектров Фурье записей землетрясений БРЗ получены формулы преобразований (Ключевский, 1986; 1989; Klyuchevskii, 2004; Ключевский, Демьянович, 2002), которые дают возможность определения максимального уровня амплитудного спектра Фурье Ф и граничной верхней частоты максимального уровня f из значений амплитуды и периода максимального смещения на сейсмограмме. В трещинной модели Д. Бруна (Brune, 1970; 1971), используемой в работе для определения динамических параметров очагов землетрясений Байкальского региона, дислокация происходит в результате мгновенного приложения тангенциального импульса к внутренней стороне разрыва. В дальней зоне амплитудный спектр импульса смещения в области низких частот представляется в виде участка с постоянной спектральной плотностью Фо, а в области высоких частот аппроксимируется зависимостью понижения уровня спектра по закону -2. Пересечение этих двух прямых в двойном логарифмическом масштабе спектральной плотности и частоты дает характерную “угловую точку” с координатами Фо и fо, где fо – частота “угловой точки”. Уровень спектральной плотности Фо зависит от сейсмического момента землетрясения, который характеризует потенциальную работу по перемещению “очагового” блока земной коры в гравитационном поле Земли (Ризниченко, 1976). Частота “угловой точки” fо зависит от длительности импульсного процесса разрушения среды и характеризует линейные размеры зоны дислокации. Динамические параметры очагов землетрясений вычисляются по формулам


Mо=4 rV3 Фо / ,

R=2.34V / 2 fо,

 = 7 Mо / 16 R 3,

D = Mо / S,

где Mо – сейсмический момент, дн см, R – радиус дислокации, км,  – падение напряжений в очаге, бар, D – смещение по разрыву, мм, =2.7 г/см3 – плотность среды, V=3.58 км/сек – скорость распространения объемных поперечных волн, r – гипоцентральное расстояние, км, =0.6 – среднее значение функции направленности излучения из очага (Ризниченко, 1976; 1985), =31011 дн/см2 – модуль сдвига, S – площадь разрыва, км2. При расчете сейсмического момента учитывается удвоение амплитуды сейсмического сигнала на свободной поверхности Земли и то, что используется максимальная амплитуда смещения на одной из горизонтальных компонент записи землетрясения. Определение динамических параметров очагов землетрясений БРЗ выполнено по материалам отчетов “Бюллетень землетрясений Прибайкалья”, полученных БФ ГС СО РАН при обработке записей стандартных сейсмографов с гальванометрическим способом регистрации за 1968-1994 годы. Данные о максимальных смещениях в S-волнах почти 90 тысяч толчков переведены диссертантом в цифровой вид и используются при формализованном определении динамических параметров очагов землетрясений Байкальского региона. Анализ базы данных указывает на высокую представительность фактического материала – почти 95% из числа зарегистрированных землетрясений имеют определение динамических параметров (Таблица)
Таблица

Оценки представительности выборок землетрясений, у которых определены

динамические параметры очагов

KР
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Все толчки

Байкальский регион (=48–60 с.ш., =96–122 в.д.)

n
1
174
3416
18668
43094
21268
5910
1797
527
195
61
24
2
2
95139

n1
1
80
2782
17303
40780
20594
5856
1788
526
191
61
23
1
0
89986

n1/n, %
100
46.0
81.4
92.7
94.6
96.8
99.1
99.5
99.8
97.9
100
96
50
0
94.6

Первый район (=48.0–54.0 с.ш., =96.0–104.0 в.д.)

n
0
2
33
1820
11623
6110
1910
573
175
65
28
7
0
1
22347

n1
0
1
28
1565
10116
5653
1877
567
175
64
28
7
0
0
20081

n1/n, %



50.0
84.8
86.0
87.0
92.5
98.3
99.0
100
98.5
100
100



0
89.9

Второй район (=51.0–54.0 с.ш., =104.0–113.0 в.д.)

n
0
0
6
505
5065
3893
955
315
107
54
11
5
0
0
10916

n1
0
0
6
497
5019
3870
949
315
107
54
11
4
0
0
10832

n1/n, %






100
98.4
99.1
99.4
99.4
100
100
100
100
80






99.2

Третий район (=54.0–60.0 с.ш., =109.0–122.0 в.д.)

n
1
172
3377
16310
25228
9790
2655
788
211
62
19
10
1
1
58625

n1
1
79
2748
15214
24509
9631
2646
786
210
62
19
10
1
0
55916

n1/n, %
100
45.9
81.4
93.3
97.1
98.4
99.7
99.7
99.5
100
100
100
100
0
95.4

Примечание: n – число зарегистрированных землетрясений, n1 – число землетрясений, имеющих определение динамических параметров очагов, n1/n, % – представительность используемого материала, в процентах.


Динамические параметры очагов землетрясений БРЗ, южного Прибайкалья, трех небольших участков размером 1×2 и зоны Ангараканского роя определены и сопоставлены для шести вариантов задания модели среды распространения сейсмических сигналов (Ключевский, Демьянович, 2003). Влияние среды оценивается посредством сравнительного анализа динамических параметров очагов землетрясений, определенных для всех вариантов модели. В результате исследований установлено, что выбор модели среды может оказать существенное влияние на динамические параметры очагов землетрясений. Видимые периоды максимальных амплитуд смещений в объемной поперечной волне слабо изменяются с эпицентральным расстоянием. Эти изменения не оказывают практического влияния на определение динамических параметров очагов землетрясений по материалам региональной сети сейсмических станций Прибайкалья. Соотношения корреляционных зависимостей сейсмического момента от величины энергетического класса землетрясений, установленные в БРЗ при шести вариантах задания модели, сохраняются для всех исследуемых территорий при различных диапазонах изменения энергетических классов и гипоцентральных расстояний. На основании этого и чтобы исключить неоднозначность в интерпретации результатов, все дальнейшие определения динамических параметров очагов землетрясений в диссертации выполнены при использовании первого варианта модели среды (Ризниченко, 1976).

Большое число группирующихся толчков, сконцентрированных в локальных объемах литосферы БРЗ, позволило на хорошем статистическом уровне изучить пространственно-временную и энергетическую структуру группирующейся сейсмичности и через динамические параметры очагов связать ее с НДС среды (Ключевский, 1993; 1994; 1997; 2003; 2005). Статистическое исследование афтершоков Бусийнгольского (1991г.; MLH=6.5) и Южно-Якутского (1989г.; MLH=6.6) землетрясений, а также толчков в Ангараканской и Амутской роевых сериях (1979г.) выполнено с целью анализа пространственно-временных связей группирующейся сейсмичности с НДС среды. При решении этой задачи рассмотрены вариации в пространстве и времени средних характеристик последовательных групп толчков различных энергетических классов, определены динамические параметры очагов землетрясений, установлены корреляционные соотношения между динамическими параметрами и энергетическим классом толчков и осуществлена “калибровка” сейсмических моментов слабых землетрясений с KР=7, 8, 9 и 10 по типу подвижки в очаге. Выполнен статистический анализ пространственно-временных вариаций средних характеристик последовательных групп толчков и средних по группе значений динамических параметров очагов землетрясений, который верифицировал связь сейсмичности с НДС среды. Установлено, что общей характерной чертой сейсмичности в продолжительных кластерах является зависимость от наиболее сильных толчков, а применяемое в диссертации различное представление и дискретизация фактического материала способствуют пониманию локальных вариаций НДС литосферы в очаговых зонах сильных землетрясений и в областях роевых толчков. При изучении динамических параметров очагов афтершоков и роевых событий БРЗ установлено, что сейсмические моменты толчков структурируются, а наблюдаемая структурированность обусловлена напряженным состоянием очаговой среды. Коэффициент пропорциональности bR в уравнении корреляции радиуса дислокации и энергетического класса землетрясений изменяется в последовательных выборках афтершоков, причем изменение происходит по-разному для коротких серий с небольшим числом толчков и для продолжительных последовательностей афтершоков (Ключевский, 1993; 1994; 2003; 2005). В качестве причины такого поведения радиусов дислокаций в продолжительных сериях афтершоков рассматриваются процессы самоорганизации очаговой зоны, возникающие при перестройке НДС среды. Известно (Садовский и др., 1987, с.92), что перестройки являются следствием постоянного деформирования и рассматриваются как “самоорганизация” среды, служащая для ускоренной диссипации поступающей в нее энергии. Наблюдаемый эффект согласуется с тем, что перестройка НДС очаговой среды может возникать только в особых условиях, и, возможно, связана с мерой “самоорганизации доведенной до числа” (Лукк и др., 1996, с.188), зависящей от скорости и условий деформирования среды. Установлено, что изменения динамических параметров источников происходят под влиянием деформационных процессов в литосфере, согласуются с пространственно-временным потоком землетрясений и объясняют особенности его распределения. Результаты исследования показывают, что стадии неустойчивости НДС очаговой среды обусловлены последействием сильнейших землетрясений и афтершоков, а между моментами усиления неустойчивости и активизацией сейсмического процесса в продолжительных кластерах верифицирована связь. Наблюдаемая стадийность и системность процесса является одним из атрибутов механизма возвращения системы разломов-блоков в метастабильное состояние после главных землетрясений и наиболее сильных афтершоков (Лукк, Дещеревский, 2006).

Проблема привлечения сейсмических моментов землетрясений для реконструкции напряженного состояния в глубинах литосферы БРЗ решается в диссертации путем идентификации типа подвижки в очаге по величине сейсмического момента землетрясения. С этой целью выполнена “калибровка” среднего по выборке сейсмического момента землетрясений одного класса по среднему по выборке фокальному механизму. Применение для реконструкции напряженного состояния основано на том, что сейсмический момент тектонического землетрясения связан с подвижкой по разлому (Аптикаев, Копничев, 1979; Левшин, Грудева, 1974; Копничев, Шпилькер, 1980; Аптикаев, 2005). А. Макгарр (McGarr, 1984) показал, что колебания грунта зависят от напряженного состояния среды с более сильной зависимостью при надвиговом разломе, чем при нормальной подвижке, а сдвиговый разлом является промежуточным между ними. При “калибровке” среднего по выборке сейсмического момента использованы сейсмические моменты слабых землетрясений с KР=7, 8, 9 и 10, определенные в группах толчков Ангараканской и Амутской серий и афтершоков Южно-Якутского и Бусийнгольского землетрясений (Ключевский, 2003; 2005). При детальном анализе НДС среды рассмотрены вариации сейсмических моментов толчков в Южно-Якутской афтершоковой серии. Установлена связь между НДС среды и сейсмичностью и показано, что особенности рассматриваемых процессов наиболее ярко проявляются при повышенном градиенте НДС очаговой среды, возникающем при усилении неустойчивости.

Разработанная технология и полученные результаты обосновывают первое защищаемое положение диссертации и дают возможность реконструкции и идентификации НДС среды и сейсмичности в литосфере БРЗ по реализованным и верифицированным на представительных массивах данных методикам и алгоритмам.


НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ

ЗОНЫ ПО ДАННЫМ О СЕЙСМИЧЕСКИХ МОМЕНТАХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ


Проблемы напряженно-деформированного состояния литосферы и сейсмичности различных регионов Земли являются предметом активных научных исследований последнего десятилетия. Так, согласно сведениям из работы (Добрецов и др., 2001), в перечне приоритетов в науках о твердой Земле общее направление “Динамика коры в океанах и континентах” занимала второе место, а входящая в это направление тема “Активные коровые деформации” отнесена к категории высшего приоритета. Такое приоритетное отношение к предмету исследований обусловлено различными причинами и послужило стимулом к интенсивному развитию фундаментальных и прикладных направлений изучения НДС литосферы и коровой сейсмичности. Для целей анализа НДС геологической среды фундаментальным стало понимание того, что тектонические напряжения различной природы в пределах “нагружаемых” объемов распределяются неравномерно, концентрируясь на неоднородностях структур низших порядков (Гончаров и др., 2005). Из-за неоднородности поля напряжений деформации также неоднородны и развиваются локализовано в концентраторах, так как напряжения в этих областях раньше, чем в других зонах, достигают предельных значений. Такие представления о напряжениях и деформациях в литосфере позволяют рассматривать деформируемую геологическую среду как далекую от равновесия диссипативную систему (Фундаментальные…, 2001; Пущаровский, 2005) и сближают модель “геологической” среды с моделью “геофизической” среды, введенной академиком М.А. Садовским (1979; 2004). В модели геофизической среды Земля рассматривается как открытая система взаимодействующих неоднородностей, имеющих разную физико-химическую природу. В процессе непрерывной подпитки энергией система отдельностей самоорганизуется в диссипативную систему, имеющую самоподобный фрактальный иерархический характер. В эволюции таких систем особое место занимают неустойчивые процессы и акты неустойчивости, к которым относятся землетрясения. Строгая математическая модель такой системы не разработана, поскольку полностью детерминированное механическое описание поведения геофизической среды, имеющей блочное строение, является неразрешимой задачей: такие свойства среды требуют для своего описания статистических методов. В связи с этим в науках о Земле большое значение приобретают методологические проблемы статистической обработки и последующей интерпретации результатов наблюдений.

Напряженное состояние литосферы наиболее удобно описывается в системе главных координат, в которой три главных напряжения полностью характеризуют поле напряжений. В этой системе координат одно главное напряжение в целом будет нормально к поверхности Земли, а два другие действуют приблизительно в горизонтальной плоскости. Данные о фокальных механизмах землетрясений и другие стресс-индикаторы показывают, что такое приближение выполняется до границ хрупко-пластичного перехода в верхней части коры (Zoback, Zoback, 1980; Zoback, 1992; Brudy et al., 1997). В таком случае требуются только четыре параметра, чтобы описать напряженное состояние среды: одна ориентация напряжения (обычно берется азимут максимального горизонтального сжатия, ) и три величины главных напряжений: – вертикальное напряжение, соответствующее весу вышележащего вещества, – максимальное главное горизонтальное напряжение и – минимальное главное горизонтальное напряжение. В приложении этих понятий к земной коре часто используют величины наибольшего, промежуточного и наименьшего главных напряжений в терминах , и , как это было первоначально предложено Е. М. Андерсоном (Anderson, 1951). Эта классификационная схема и кажущиеся упрощенными соотношения имеют ряд простых, но фундаментальных достоинств, чтобы использовать их для оценки напряженного состояния литосферы БРЗ. Во-первых, два горизонтальных главных напряжения в литосфере и могут быть описаны относительно вертикального главного напряжения , величина которого равна

=,

где – зависимость плотности от глубины z, – ускорение свободного падения, – осредненная плотность нагрузки. Во-вторых, относительная величина главных напряжений может быть просто связана с типом современного разломообразования в регионе. Характеристика региона сбросовыми, сдвиговыми или надвиговыми подвижками эквивалентна определению величин главных горизонтальных напряжений относительно вертикального напряжения. Когда вертикальное напряжение преобладает в регионах деформируемых растяжением (=,>>), гравитация формирует сбросовое разломообразование. Соответственно, когда оба горизонтальных напряжения превышают вертикальное напряжение (=,>>), сжимающие деформации (сокращение) аккомодируются через надвиговое разломообразование. Сдвиговые разломы представляют промежуточный случай (=,>>), когда максимальное горизонтальное напряжение больше, чем вертикальное, а минимальное горизонтальное напряжение меньше их. В некоторых областях напряженное состояние литосферы является переходным между основными режимами – при >> происходят землетрясения со сбросовой и сдвиговой подвижкой, а в условиях >> имеет место комбинация сдвигов и взбросов.

Развиваемая в диссертации технология идентификации НДС литосферы по данным очаговой сейсмологии позволяет по натурным наблюдениям оценивать особенности поведения геодинамической системы БРЗ, связанные с сейсмотектоническими деформациями и напряжениями. Идентификация основана на геофизических представлениях связи динамических параметров очагов землетрясений с НДС литосферы и дает возможность разномасштабного пространственно-временного анализа напряженного и деформированного состояния литосферы БРЗ по данным о параметрах сейсмических источников. Напряженное состояние литосферы БРЗ реконструировано по материалам о сейсмических моментах сильных (KР11) и слабых (KР<11) толчков, а также совокупности землетрясений с KР7. Использование сейсмических моментов землетрясений для реконструкции напряженного состояния среды основано на том, что главным источником информации о напряжениях в литосфере является тип подвижки по разлому (Zoback, 1992; Zoback, Zoback, 2002), определение которого по сейсмическим моментам землетрясений БРЗ стало возможным по разработанным методикам и алгоритмам. Разделение землетрясений на сильные и слабые обусловлено тем, что у некоторых сильных землетрясений БРЗ имеются определения фокальных механизмов, и сопоставление результатов, полученных по фокальным механизмам и сейсмическим моментам толчков, дает возможность независимого статистического подтверждения совпадающих выводов, уточнения деталей и фактов, указывающих на различие. Сейсмические моменты землетрясений использованы для идентификации структуры и пространственно-временных вариаций напряженного состояния литосферы в Байкальском регионе, на юго-западном (район 1, =48.0–54.0 с.ш., =96.0–104.0 в.д.) и северо-восточном (район 3, =54.0–60.0 с.ш., =109.0–122.0 в.д.) фланге, в центральной части БРЗ (район 2, =51.0–54.0 с.ш., =104.0–113.0 в.д.), и шести участках, которые формируются делением территории районов по долготе 12=100.0, 34=108.0 и 56=116.0, а отсчет номеров участков (1–6) ведется с юго-запада на северо-восток. Сопоставление динамических параметров очагов сильных землетрясений БРЗ с мировыми данными дает, в целом, согласующиеся результаты (Ключевский, Демьянович, 2002). Территориальное разделение толчков позволило перейти к сравнительному исследованию НДС литосферы БРЗ, в результате которого установлено близкое совпадение динамических параметров очагов землетрясений первого и третьего районов и их значимое отличие от параметров толчков второго района. Уравнения корреляции сейсмических моментов с KР землетрясений третьего и четвертого участков, образующих второй район, также значимо отличаются друг от друга. Анализ уравнений корреляции среднего радиуса дислокации с KР землетрясений первого района дает возможность разделения сейсмических событий. Значимые отличия уравнений корреляции динамических параметров очагов и KР сильных землетрясений в районах и участках свидетельствуют о пространственной неоднородности НДС литосферы Байкальского региона на уровне иерархии сильных сейсмических событий.

По данным о 143 землетрясениях с 11KР14, происшедших в регионе с 1968 по 1994 гг. и имеющих определение сейсмического момента и фокального механизма, выполнена “калибровка” уровня по типу подвижки в очаге (Ключевский и др., 2006; 2007). Уровни lg, соответствующие доминантным подвижкам определенного типа, вычислены для выборок толчков каждого энергетического класса. Границы перехода между подвижками различного типа определены с использованием этих уровней и диапазона lg между ними в предположении линейной аппроксимации lg от типа подвижки в очаге с возрастанием в следующей последовательности: сброс, сдвиг и взброс. В соответствии с уровнями исходная выборка из n=802 землетрясений с 11KР14 разделена на толчки-сбросы (nN=501, PN=nN/n0.63), сдвиги (nS=145, PS0.18) и взбросы (nR=156, PR0.19) разных KР. Вероятности реализации толчков P близки к вероятностям, полученным по данным о фокальных механизмах землетрясений БРЗ (PN0.65, PS0.20, PR0.15). Исследование напряженного состояния литосферы БРЗ осуществлено по данным о фокальных механизмах 265 землетрясений с KР10, зарегистрированных в Байкальском регионе с 1950 по 1998 гг., и по данным о сейсмических моментах 802 толчков с 11KР14, происшедших в период с 1968 по 1994 гг. Следует подчеркнуть высокую представительность фактического материала – сейсмические моменты определены почти у 100% землетрясений с 11KР14, зарегистрированных в Байкальском регионе с 1968 по 1994 годы (Таблица). Такая статистика полностью характеризует напряженное состояние системы сейсмогенеза БРЗ на уровне иерархии сильных землетрясений. Применение одинаковых формализаций и методик построения карт и графиков дают возможность сопоставления используемых материалов, полученных по фокальным механизмам и сейсмическим моментам землетрясений. Результаты реконструкции напряженного состояния литосферы БРЗ по данным о сейсмических моментах сильных землетрясений верифицированы на основании данных классического метода фокальных механизмов и свидетельствуют о хорошем совпадении реконструированного поля напряжений растяжения в областях представительной обеспеченности данных. Менее совпадающими следует признать результаты реконструкции напряжений, генерирующих сдвиги и взбросы, хотя большинство выделенных зон также совпадают. Основные наблюдаемые отличия обусловлены, вероятно, разными временными диапазонами выборок данных фокальных механизмов (1950–1998 гг.) и сейсмических моментов землетрясений (1968–1994 гг.), а также слабой представительностью фокальных механизмов. Полученные результаты дают возможность классифицировать особенности и свойства напряженного состояния литосферы в Байкальском рифте на уровне иерархии сильных сейсмических событий. В пределах исследуемой территории доминирует режим рифтогенеза с формированием толчков-сбросов при вероятности PN0.5, а локальные области повышенной вероятности сдвигов и взбросов указывают на неоднородность НДС литосферы БРЗ (Рис.1). Анализ динамики напряжений в литосфере БРЗ также подтверждает доминирующую роль рифтогенеза, однако эта доминанта неустойчива и в конце 1980-х – начале 1990-х гг. возникла ситуация примерного равенства и даже частичного преобладания сдвигов и взбросов (Рис.1, А). Полученная карта районирования территории Байкальского региона дает возможность учёта типа подвижки в очаге, а результаты районирования рекомендованы проектными и строительными организациями для уточнения сейсмической опасности (Ключевский и др., 2007).

Рис.1. Карта изолиний вероятности реализации толчков-сбросов, сдвигов и взбросов. На вставке (А) представлены графики среднегодовой вероятности реализации P толчков-сбросов, сдвигов и взбросов. 1– разломы, 2 – впадины, 3 – озера, 4 – изолинии вероятности реализации толчков-сбросов PN, 5, 6 – шкалы вероятности реализации толчков-сдвигов и взбросов PS и PR соответственно.

При реконструкции напряженного состояния литосферы по данным о сейсмических моментах слабых землетрясений с 7KР10 построены карты-схемы изолиний логарифма среднего сейсмического момента (lg) землетрясений с KР=7, 8, 9, 10 (Ключевский, Демьянович, 2004; 2006). В площадках 1, в предела которых произошло не менее 10 сейсмических событий с KР=7 (KР=8), вычислены значения lg. Для землетрясений с KР=9 при определении lg использовано не менее 5, а для толчков с KР=10 не менее 3 сейсмических событий в площадке 1. В качестве изолиний на картах-схемах и уровней на графиках использованы значения lg и землетрясений таких же энергетических классов, соответствующие переходу от одного типа подвижки к другому. Анализ карт-схем показал, что во всех районах прослеживается тенденция уменьшения размеров территории с преобладающе сбросовыми толчками при повышении энергетического класса землетрясений. Напряженное состояние среды неоднородно и эта неоднородность сохраняется для толчков всех классов, выражаясь в частности, в доминировании сбросов всех KР в крупных рифтовых впадинах. С целью детального исследования временных вариаций напряженного состояния литосферы вычислены среднегодовые значения сейсмических моментов землетрясений с KР=712. Анализ среднегодовых сейсмических моментов землетрясений с KР=78 показал, что у слабых толчков имелась общая тенденция уменьшения среднегодовых со временем, обусловленная относительным ростом числа сбросов. Динамика сейсмических моментов землетрясений одного класса в разных областях литосферы БРЗ имеет согласованный характер. Вместе с тем, динамика слабых (KР=7, KР=8) и более сильных (KР=9, KР=10) толчков БРЗ различна, что свидетельствует о временном градиенте напряжений. Одной из возможных причин пространственно-временных вариаций типов подвижек в очагах землетрясений может быть неоднородность напряженного состояния в вертикальном разрезе литосферы. Графики вариаций среднего по слою литосферы толщиной в 15 км указывают на значимые изменения сейсмического момента землетрясений с KР=9 в литосфере первого и второго районов. Средние сейсмические моменты землетрясений с KР=9 в 2 верхних слоях литосферы близки к сдвигам, следующие 2 слоя соответствуют подвижкам сбросо-сдвигового типа, а ниже преобладают сбросы. На северо-восточном фланге БРЗ во всех шести слоях литосферы доминируют сбросо-сдвиги (Ключевский, 2005).

Чтобы выявить основные тенденции пространственно-временных вариаций напряжений в литосфере БРЗ, использованы коэффициенты пропорциональности bM в уравнениях корреляции логарифма сейсмического момента и энергетического класса землетрясений. Эти коэффициенты отражают распределение типов подвижек в очагах совокупности землетрясений с KР7 и через сейсмические моменты идентифицируют напряженное состояние всей системы сейсмогенеза. Установлено, что в конце 1970-х – начале 1980-х годов на территории БРЗ наблюдались значимые изменения сейсмических моментов, упорядоченно разнесенные в пространстве и времени. Первые изменения коэффициента bM произошли в зоне шовной межплитной границы, отделяющей Сибирскую платформу от Саяно-Байкальской складчатой области. В связи с этим имеется предположение о влиянии этой области сочленения крупных блоков литосферы на процессы преобразования напряженного состояния среды (Ключевский, 2001; 2004; 2005; Klyuchevskii, 2004). Пространственно-временные масштабы этого явления указывают на нелинейную импульсную природу, которая может возникнуть в результате фазового перехода “жидкость – газ” в локальной области глубинного Приморского разлома. Это явление хорошо вписывается в модель развития Байкальской впадины, учитывающую эволюцию флюидного режима (Артюшков и др., 1990). Детальное исследование пространственно-временных вариаций сейсмических моментов землетрясений Байкальского региона показало, что с 1968 по 1994 годы в регионе произошли три значительных эпизода изменения напряженного состояния литосферы Байкальского рифта: в конце 1960-х, конце 1970-х – начале 1980-х годов и конце 1980-х – начале 1990-х годов. Установлено, что наблюдаемые эффекты связаны с перераспределением типов подвижек в очагах и упорядоченными вариациями сейсмических моментов землетрясений, которые обусловлены инверсией осей максимального и промежуточного главных напряжений, возникающей в локальных областях устойчивого доминирования рифтогенеза. Использование различных подходов и методов позволило установить координаты трех областей. В рамках теории диссипативных систем эти области классифицируются как структуры-аттракторы рифтогенеза (Ключевский, 2007). Полученные результаты дают возможность объяснения основных наблюдаемых вариаций напряженного состояния литосферы БРЗ пространственно-временными изменениями вертикальной компоненты поля напряжений . Эти процессы происходят на всей территории БРЗ, но различаются по интенсивности проявления. Наиболее сильно они проявляются в рифтовых впадинах и в областях доминирования рифтогенеза (Ключевский, 2002; 2003; 2005). Эти области расположены вблизи границ областей напряжений глобального, регионального и суперпозиционного типов, установленных в (Solonenko et al., 1997) по данным о механизмах очагов землетрясений. Особенностью наблюдаемых изменений является постепенное увеличение и резкое, почти импульсное, уменьшение , детерминирующее инверсию осей напряжений и перестройку НДС литосферы. Постепенные процессы могут быть связаны с термической нестабильностью и гравитационной неустойчивостью литосферы и аномальной мантии, определенной в Байкальском регионе по сейсмическим данным (Недра.., 1981; Gao et al., 1994; 2003) и численным моделированием (Гольдин и др., 2006). Быстрые процессы могут происходить в результате фазовых переходов при термодинамической неустойчивости локальных объемов земной коры (Современная динамика…, 1989; Летников, 1992).

Наблюдаемые перестройки напряжений в литосфере БРЗ согласуются с поведением сложных самоорганизующихся неустойчивых термодинамических систем (Николис, Пригожин, 2003), что предполагает возможность применения методов системного анализа с целью поиска моделей, уравнений, параметров и характеристик, описывающих современные тектонофизические процессы в литосфере БРЗ. Для исследования структуры и динамики напряжений в литосфере БРЗ используются фазовые пространства, в которых в качестве координат состояния служат параметры и , где индекс j идентифицируется как год и пробегает от 1968 до 1994 г. (Ключевский, 2007). Параметр является коэффициентом в уравнении корреляции логарифма сейсмического момента и энергетического класса KР всех зарегистрированных в течение j-го года землетрясений и через сейсмические моменты толчков разных KР характеризует напряженное состояние всей системы сейсмогенеза. Параметр – среднегодовой сейсмический момент землетрясений с энергетическим классом KР=7, характеризующий через сейсмические моменты толчков с KР=7 напряженное состояние среды на минимальном изучаемом энергетическом уровне системы сейсмогенеза. Величины и являются однозначными функциями времени, а изображающая точка движется по некоторой ломаной линии в фазовом пространстве – фазовой траектории и соответствующая фазовая скорость Vf будет равна длине траектории, пройденной за год. Известно (Zoback, 1992), что в зависимости от соотношения величин главных напряжений могут быть сформированы пять типов режима напряжений, из которых три характеризуют устойчивые напряженные состояния литосферы, а два описывают систему в состояниях неустойчивости переходного типа. Эти режимы качественно согласуются и хорошо корреспондируют с наблюдаемой схемой поведения напряжений в литосфере БРЗ, с формированием трех устойчивых состояний-аттракторов и двух переходных состояний-бифуркаций. На основании этого предполагается, что динамике напряжений в литосфере БРЗ соответствует модель с бифуркацией трехкратного равновесия. Модельной системой для данной бифуркации может служить уравнение изменений напряжений S в виде

.

Анализ состояний равновесия показывает, что при >0 и любом система имеет единственное асимптотически устойчивое состояние равновесия. При <0 су­ществует область значений , где система имеет три состояния равновесия, а в фазо­параметрическом пространстве формируется структура, называемая сборкой. На основании этих соотношений можно предположить, что коэффициенты и имеют вид

, ,

где Smax – максимальная из трех компонент напряжений. Тогда при > 0 и любом система имеет единственное асимптотически устойчивое состояние равновесия, характеризующее режим тектоники литосферных плит. При <0 су­ществует область значений , в которой система может иметь три состояния равновесия, характеризующие современный режим рифтогенеза в БРЗ с неоднородным и неустойчивым распределением напряжений.

Для исследования эффектов синхронизации напряжений в литосфере БРЗ и трех районов использованы годовые ряды параметра . Чтобы оценить длительность периодов синхронизации, годовые ряды параметра разделены на выборки длиной в три года, пять и десять лет: временной сдвиг между выборками сравниваемых территорий равен нулю, шаг расчетов равен одному году. По этим реализациям вычислены коэффициенты парной корреляции для следующих сравниваемых территорий: БРЗ и трех районов; трех районов между собой. Установлено, что эпизоды высокой синхронизации напряжений в литосфере БРЗ и трех районов имеют небольшую длительность, а влияние перестройки напряжений в конце 1970-х – начале 1980-х годов доминирует над другими процессами. Синхронизация напряжений свидетельствует о дальнодействующих корреляциях, выражающихся в статистически воспроизводимых соотношениях между удаленными и пространственно разделенными (районы 1 и 3) частями системы. При совместном анализе фазовых скоростей и распределения сильных землетрясений с KP14 установлено, что сложное поведение неравновесной среды в литосфере БРЗ ведет к бифуркациям (катастрофам) напряжений, порождающим нелинейность сейсмогенеза с генерацией сильных толчков (Ключевский, 2007).

Во второй части диссертации развиты методы и алгоритмы решения основной обратной задачи реконструкции и идентификации напряженного состояния литосферы БРЗ по данным о сейсмических моментах землетрясений. Развиваемая методология, математическое и алгоритмическое обеспечение идентификации напряженного состояния среды позволяют по натурным сейсмологическим наблюдениям обнаружить и классифицировать качественно новые, присущие широкому классу природных объектов, фундаментальные особенности строения и эволюции БРС, связанные с неоднородностью и неустойчивостью литосферных напряжений. Установленные критерии и параметры пространственно-временных вариаций напряженного состояния литосферы БРЗ характеризуют сложную структурную неоднородность и динамическую неустойчивость НДС среды и обосновывают второе защищаемое положение диссертации. В эволюции литосферы БРЗ определяющую роль играют перестройки напряженного состояния среды, формирующие нелинейность сейсмогенеза с генерацией сильных землетрясений. Эти результаты развивают феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса в БРЗ и обосновывают третье защищаемое положение диссертации. В практическом плане такая информация может быть использована для целей сейсмического районирования, решения задачи прогноза землетрясений и проблем сейсмической безопасности в Байкальском регионе.