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


Деформированное состояние литосферы байкальской рифтовой зоны по данным о радиусах дислокаций
Сейсмичность байкальской рифтовой зоны
Подобный материал:
1   2   3   4

ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ О РАДИУСАХ ДИСЛОКАЦИЙ


Знание генезиса, структуры и динамики деформированного состояния континентальной литосферы является фундаментальным в понимании строения и эволюции верхней оболочки и рельефа Земли. В настоящее время особенно быстро развиваются исследования, сочетающие выявление и воспроизведение структурообразования в тектоносфере на основе специальных полевых наблюдений с физическим и компьютерным моделированием и поиском связей с геофизическими полями. Это позволяет перейти от представлений деформирования в рамках механики сплошной среды к пониманию структурированности литосферы, сформированной под воздействием тектонофизических сил и напряжений (Гончаров и др., 2005). При описаниях процессов структурообразования одной из физико-механических характеристик является неоднородность среды, ее естественная структурированность, которая не может быть учтена в моделях сплошной среды. Структурная иерархическая неоднородность дискретной среды порождает неоднородное НДС литосферы, при котором напряжения концентрируются на границах неоднородностей разных уровней структурной организации, формируя неоднородности деформации. Полученные к настоящему времени многочисленные экспериментальные и натурные наблюдения указывают, что тектонические деформации в большинстве случаев реализуются путем разнообразных динамических перестроек исходной структуры геологической среды. Такие перестройки зависят в большей мере от концентраторов напряжений, распределение и перестройка которых в свою очередь определяются неоднородностями среды, динамикой силовых полей и свойствами вещества. В рамках таких представлений зоны доминирования рифтогенеза являются своего рода концентраторами напряжений регионального уровня, формирующими и контролирующими основные процессы сейсмотектонического деформирования в литосфере БРЗ (Ключевский, 2003; 2005; 2007).

Радиусы дислокаций использованы для реконструкции и идентификации структуры и основных тенденций динамики сейсмотектонического деформирования литосферы БРЗ, трех районов и шести участков (Ключевский, Демьянович, 2002; 2003). Проведенное пространственно-временное исследование коэффициента bR и радиусов дислокаций указывает на неоднородность структуры и нестабильность динамики сейсмотектонического деформирования в литосфере БРЗ. Установлена повышенная неоднородность НДС в центральной части БРЗ, а сейсмотектонические деформации на флангах региона примерно сопоставимы. Процесс сейсмотектонического деформирования, наблюдаемый в литосфере БРЗ в конце 1970-х – начале 1980-х гг., в целом аналогичен механизму деформирования очаговых зон сильных землетрясений, что свидетельствует о самоподобном характере деформирования среды на разных иерархических уровнях литосферы. Установлен колебательный характер сейсмотектонических деформаций в БРЗ с периодичностью около 10 лет, быстрым падением и нарастанием уровня деформаций после перестроек НДС литосферы региона.

Идентификация сейсмотектонических деформаций литосферы в Байкальском регионе по данным о форме дислокаций основана на том, что динамические параметры очага тектонического землетрясения зависят от формы и геометрических размеров дислокации, которые, в свою очередь, связаны с НДС среды в области разрыва (Аки, Ричардс, 1983; Ризниченко, 1985). Исследование вариаций формы дислокации показало, что в деструкции литосферы БРЗ выделяется как пространственная, так и временная составляющая (Ключевский, 2005). Максимальный уровень сейсмотектонического деформирования литосферы установлен в центральной части БРЗ, а минимальный – на юго-западе региона. В исследуемый интервал времени сейсмотектоническое деформирование литосферы в Байкальском регионе имело в целом тенденцию к ослаблению. Чтобы идентифицировать пространственную структуру сейсмотектонических деформации литосферы Байкальского региона, получены карты-схемы изолиний максимальных, средних и минимальных значений коэффициента формы дислокации R1/R2. Зоны, в которых максимальные значения коэффициента формы дислокации превышают R1/R26, выделяются на карте в виде отдельных “пятен” и расположены вдоль Байкальского рифта. Эти зоны, как правило, приурочены к рифтовым впадинам, а размеры “пятен” достаточно хорошо корреспондируют с размерами соответствующих впадин – наиболее обширные области максимально деформированной среды наблюдаются в пределах впадины озера Байкал, с последующим уменьшением размеров “пятен” к юго-западу и северо-востоку. Самая большая область вытянута вдоль Южно-Байкальской впадины в районе Селенгинской перемычки. На юго-западе зона повышенных значений R1/R2 совпадает с западной оконечностью Тункинской впадины. В северо-восточной части карты наблюдается последовательность “пятен” северо-восточного и восточного направления, наиболее значительное из которых расположено в районе Северомуйской впадины.

При исследовании пространственно-временных вариаций формы дислокации для совокупностей сейсмических событий определены корреляционные формулы распределения чисел землетрясений в зависимости от величины отношения радиусов, имеющие вид

Lg N= A + dR1/R2,

г
де R1/R2 – коэффициент формы дислокации, N – число толчков, A и d – коэффициенты. Коэффициент d характеризует соотношение чисел толчков, имеющих различные значения R1/R2 и в рамках теории самоподобной фрактальной среды (Садовский, 2004) характеризует неоднородность деформированного состояния среды. Чем меньше значение d, тем больше в выборке толчков, форма дислокации которых приближается к кругу, а изометрическая форма дислокации (R1/R21) характерна для землетрясений, дислоцирование которых происходит в условиях квазиоднородного деформированного состояния очаговой среды (Ризниченко, 1985). Карта-схема, характеризующая сейсмодеформированное состояние литосферы Байкальского региона в изолиниях параметра d, построена по данным о землетрясениях, зарегистрированных в пределах площадок 2.02.0 (Ключевский, Демьянович, 2002; 2003). Наиболее существенной особенностью карты являются протяженные зоны и локальные участки максимальных значений коэффициента d, соответствующие областям повышенного сейсмодеформированного состояния литосферы (Рис.2).


Рис.2. Карта-схема изолиний коэффициента d. 1 – изолинии коэффициента d; 2 – впадины; 3 – участки с пониженными значениями d; 4 – участки с максимальным значением d. Штриховая линия соединяет максимумы зон неоднородностей.


Самая значительная по размерам и величине коэффициента d–(0.250.32) зона выделяется в центральной части карты и имеет, в целом, субмеридиональное направление. В районе Южно-Байкальской впадины локализуется участок с максимальными значениями d–(0.250.26). По мнению Н.А. Логачева (2003) этот участок является самым ранним элементом БРС, ее историческим ядром, а чем продолжительнее история деформационных процессов, тем сильнее и в большем объёме будет разрушена среда. Установлено, что расположение участка максимальных значений d в Южно-Байкальской впадине хорошо корреспондирует с зоной локальной инверсии осей главных напряжений во втором районе в 1978–79 году, а также с зоной наиболее высоких деформации (до 10–15 %), обнаруженной в результате численного двумерного моделирования НДС земной коры по профилю вкрест БРЗ (Гольдин и др., 2006). На юго-западном фланге Байкальского региона выделяется зона менее высоких значений коэффициента d–(0.290.32). Эта зона имеет северо-западное простирание и прослеживается от Хангая до Хубсугульской впадины. Участок максимального значения коэффициента d–0.29 локализуется в северной части между Дархатской и Хубсугульской впадинами и совпадает с зоной локальной инверсии осей главных напряжений на юго-западном фланге БРЗ в 1978–79 году. К северо-востоку выделяются два участка повышенных значений коэффициента d, а протяженная зона формируется изолиниями d–(0.340.35). Южный максимум имеет значение коэффициента d–0.32, а северный - d–0.29. В центральной части этой зоны происходит изменение направленности изолиний с субмеридионального на северо-восточное. Этот участок совпадает с зоной локальной инверсии осей главных напряжений на северо-восточном фланге БРЗ в 1978–79 году и корреспондирует с зоной наиболее высоких деформации (до 10 %), полученной при численном моделировании НДС земной коры по профилю вдоль северо-восточного фланга БРЗ. Совпадение участков локальной перестройки поля напряжений и максимумов зон неоднородностей указывает на то, что выделение таких зон обусловлено не только деформированным состоянием литосферы, но и особенностями напряженного состояния среды в зонах доминирования рифтогенеза (Ключевский, 2003; 2005).

Выполнено детальное исследование НДС литосферы в зоне Белино-Бусийнгольского разлома, предопределяющего положение Белинской и Бусийнгольской рифтовых впадин на юго-западном фланге БРЗ (Ключевский, Демьянович, 2007; Демьянович и др., 2008). Решение этой фундаментальной геолого-геофизической задачи имеет важное прикладное значение – прогноз сейсмических, эколого-геологических и других воздействий в локально неустойчивых неоднородных средах с изменяющейся реологией. Установлено, что наблюдаемое в зоне разлома НДС литосферы неоднородно и неустойчиво. Более однородна южная часть разломной зоны и именно здесь произошли наиболее сильные сейсмические события и подавляющее число слабых толчков. В северо-западной части разломной зоны, особенно в ее последнем сегменте, среда максимально неоднородна, а сейсмичность здесь минимальна и представлена в основном слабыми толчками. Несмотря на большие положительные и отрицательные вертикальные суммарные смещения среды, результирующее максимальное смещение на порядок меньше, что, вероятно, связано с упруго-вязкой релаксацией и компенсацией гравитационной неустойчивости блоков литосферы при сейсмотектоническом течении горных масс. Результирующие отрицательные вертикальные смещения хорошо согласуются с рифтогенной природой Белинской и Бусийнгольской впадин, а в южной части разлома корреспондируют с Терехольской долиной. Выделяется структурная неоднородность среды южнее стыка первого и второго сегментов разлома, там, где произошли сильные землетрясения 1976 (KP=14) и 1991 годов. Она отчетливо видна в результирующей картине НДС среды и ее положительные элементы отражены в рельефе поверхности Земли в виде перемычки между Бусийнгольской и Терехольской впадинами, а к отрицательной неоднородности приурочена палеосейсмоструктура Бусийнгол. Динамика напряженного состояния среды в зоне Белино-Бусийнгольского разлома корреспондирует с вариациями напряжений в литосфере первого района и первого участка, которые обусловлены современным рифтогенезом БРЗ. Карта-схема Коэффициента Относительной Локальной Опасности Разлома (КОЛОР) рекомендована как базовая при прогнозе сейсмических, эколого-геологических и других рисков в зоне разлома (Ключевский и др., 2007).

В третьей части диссертации развиты методы и алгоритмы решения основной обратной задачи реконструкции и идентификации деформированного состояния литосферы БРЗ по данным о радиусах дислокаций. Развиваемая методология, математическое и алгоритмическое обеспечение идентификации деформированного состояния среды позволяют по натурным сейсмологическим наблюдениям обнаружить и классифицировать качественно новые, присущие широкому классу природных объектов, особенности строения и эволюции БРС, связанные с неоднородностью и неустойчивостью НДС среды в литосфере. Установленные критерии и параметры пространственно-временных вариаций сейсмодеформированного состояния литосферы БРЗ характеризуют неоднородность и неустойчивость НДС среды и обосновывают второе защищаемое положение диссертации. В практическом плане такая информация может быть использована для целей сейсмического районирования и оценки сейсмического риска.

СЕЙСМИЧНОСТЬ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ


Первые части диссертации посвящены изучению структуры и динамики НДС литосферы БРЗ, совместное влияние которых обусловило сложные нелинейные изменения НДС среды, нашедшие отражение в наблюдаемых пространственно-временных вариациях динамических параметров очагов землетрясений. Логическая последовательность проведенных исследований и соблюдение причинно-следственных условий дают возможность установить в этой части диссертации то, что выявленные геологические структуры и системные геофизические явления в литосфере БРЗ верифицируются в сейсмичности Байкальского региона. Для решения этой проблемы развиты методы и алгоритмы исследования региональной сейсмичности на различных пространственно-временных и энергетических уровнях, дающие возможность статистического анализа материалов и понимания связи структуры, динамики и энергетики сейсмичности с НДС литосферы БРЗ.

Рис.3. Карта эпицентров представительных землетрясений с KР8 Байкальского региона за 1964–2002 гг. 1 – разломы; 2 – впадины; 3 – озера; 4 – базальты; 5 – номера и границы районов и участков; 6 – энергетический класс KР и эпицентры сильных землетрясений с магнитудой M6. На врезках А и Б показаны графики годовых чисел N представительных землетрясений с KР8 Байкальского региона и трех районов (А), шести участков (Б).


В соответствии с данными “Каталога землетрясений Прибайкалья” наиболее опасной в сейсмическом отношении частью Байкальского региона является рифтовая зона, протянувшаяся системой впадин и обрамляющих их структур из северо-западной Монголии вдоль оз. Байкал к южной Якутии на расстояние почти 2200 км. Для представления структуры сейсмичности на рис.3 приведена карта эпицентров землетрясений Байкальского региона с энергетическим классом KР8, дополненная графиками годовых чисел толчков. На карте плотности эпицентров землетрясений отчетливо идентифицируется пространственное разделение сейсмичности на три района, в каждом из которых имеется зона доминирования рифтогенеза. Анализ свойств энергетики сейсмичности Байкальского региона и трех районов показал, что перестройки НДС в литосфере БРЗ верифицируются в максимумах наклонов графиков повторяемости землетрясений, а также в распределении максимальных всплесков выделенной упругой энергии во времени и в пространстве. Максимумы значений параметра и максимальные всплески выделенной упругой энергии во времени корреспондируют с тремя эпизодами перестройки НДС литосферы БРЗ. В целом же энергетика сейсмичности в регионе и трех районах различна, а ее кратковременные синхронизации происходит под влиянием перестроек НДС литосферы БРЗ (Ключевский, Демьянович, 2003; 2004).

Для исследования корреляции и эффектов синхронизации скорости сейсмического потока использованы временные ряды годовых чисел землетрясений N, происшедших в регионе, трех районах и шести участках (Ключевский, 2007). Отрезок времени 1964–2002 гг. разделен на выборки в три года, пять и десять лет и по реализациям одной длины вычислены коэффициенты парной корреляции сравниваемых территорий. Корреляционный анализ различной длины реализаций чисел землетрясений дает возможность установить эффекты синхронного нарастания скорости сейсмического потока на территории Байкальского региона, трех районов и шести участков при перестройках НДС литосферы. Сравнительный анализ динамики напряжений и скорости потока землетрясений в литосфере БРЗ и трех районов свидетельствует о синхронизации геодинамических и сейсмических процессов. Основные эпизоды синхронизации скорости потока толчков наблюдаются в конце 1960-х и в конце 1970-х – начале 1980-х годов, а синхронизация динамики напряжений соответствует концу 1960-х – началу 1970-х, концу 1970-х – началу 1980-х и концу 1980-х годов. Эпизод перестройки НДС литосферы в конце 1970-х – начале 1980-х годов выделяется продолжительностью и высоким уровнем синхронизации, что дает возможность рассматривать его в качестве доминирующего явления в литосфере Байкальского рифта за 1968–1994 годы. Этот эпизод находит доминантное отражение в синхронизации скорости потока толчков на всех исследуемых территориях региона. Наблюдаемая синхронизация свидетельствует, что перестройки НДС литосферы и активизации динамики сейсмичности происходят практически одновременно в различных областях БРЗ, а в остальное время скорости потока толчков в трех районах и шести участках Байкальского региона коррелированны слабо.

Рассмотрена связь перестроек НДС литосферы БРЗ с пространственно-временным распределением сильных землетрясений, а также с распределениями чисел групп афтершоков и роевых событий (Ключевский, 2003; 2005). Распределение сильных землетрясений Байкальского региона с KP14 достаточно хорошо корреспондирует с перестройками НДС литосферы БРЗ. Так на флангах региона в 1967 и 1989 гг. произошли парами наиболее сильные толчки с KP15, а в центральной части БРЗ пары землетрясений с KP=14 зарегистрированы в 1981 и 1999 годах. В структурно-неоднородной среде идентифицированные эффекты могут быть связаны с попеременной неустойчивостью блока центральной части и блоков флангов литосферы БРЗ. Такое пространственно-временное распределение сильных землетрясений, отражающее природу, мощность и время активизации порождающих их явлений, корреспондирует с перестройками НДС литосферы. Это развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса, указывая на особую роль и существенное влияние перестроек НДС литосферы на сейсмичность БРЗ. Бусийнгольское землетрясение 1991 г. на юго-западном фланге не укладывается в предложенную схему, что предполагает возможность влияния неучтенных геолого-геофизических факторов и процессов, которые могут преобладать в соседних с БРЗ сейсмоактивных регионах Монголии, Якутии и Алтае-Саянской области, и отражаться в сейсмичности Байкальского региона. В Байкальском регионе не наблюдается однозначное соответствие перестроек НДС литосферы БРЗ и пространственно-временного распределения чисел групп афтершоков и групп роевых толчков. Значимое увеличение числа групп роевых толчков произошло в конце 1960-х гг. и в 1983 г., но в конце 1980-х – начале 1990-х гг. такой эффект не наблюдается. Значимое увеличение числа групп афтершоков наблюдается в 1980 и 1991 гг., но отсутствует в конце 1960-х – начале 1970-х гг.

Исследования по общему сейсмическому районированию территории Российской Федерации показали, что более 15% общей площади страны занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8–10 бальные зоны, требующие проведения обязательных антисейсмических мероприятий (Уломов, 1999), и Байкальский регион входит в число таких территорий. Около 40 толчков с энергетическим классом KР15 (магнитуда MLH6) произошло в регионе за XX столетие, а одно из последних землетрясений с магнитудой MW=6.1 зарегистрировано 25 февраля 1999 года в южной части озера Байкал и ощущалось в г. Иркутске силой 5–6 баллов. Установленная схема пространственно-временного распределения сильных землетрясений достаточно близко соответствует наблюдаемой сейсмичности. Однако при прогнозировании сильных землетрясений помимо места и времени необходимо оценить возможную магнитуду и период повторяемости вероятного сейсмического события, а также оценить возможный эффект сейсмического воздействия на наиболее развитые индустриальные центры. Оценка рекуррентных интервалов и вероятности сильных землетрясений Байкальского региона и трех входящих в него районов выполнена в рамках гипотезы характеристических землетрясений. Для вычисления рекуррентных интервалов и вероятности сильных землетрясений Байкальского региона использованы представительные сейсмические события с энергетическим классом KP10.0 и магнитудой MLH3.5, зарегистрированные региональной сетью сейсмических станций с 1960 по 1998 гг. Основные афтершоковые и роевые серии толчков исключены из массива используемых данных. При вычислении рекуррентных интервалов сильных землетрясений использован метод, основанный на принципе максимума энтропии, а оценки вероятности сильных землетрясений получены в предположении, что распределение сейсмических толчков соответствует закону Пуассона. Если величину максимально возможного энергетического класса землетрясений принять равной Kmax=19, то рекуррентные интервалы характеристических толчков с KP=18 составят 220 лет для Байкальского региона, 370, 470 и 430 лет для юго-западного, центрального и северо-восточного районов. При Kmax=19 в пределах этих территорий величины энергетического класса землетрясений с 10% вероятностью реализации в течение 50 лет равны KP=18.39, KP=18.15, KP=18.00 и KP=18.06. Вероятности землетрясений с KP=18.0 в течение 50 лет составляют P=0.20, P=0.13, P=0.10 и P=0.11, соответственно (Ключевский и др., 2005).

Модельный расчет средних динамических параметров упругих колебаний скального грунта от сильных землетрясений южного Прибайкалья осуществлен для трех крупных городов юга Восточной Сибири – Иркутска, Ангарска и Усолье-Сибирского (Ключевский, Демьянович, 2002). Проанализирована сейсмичность зон ВОЗ, способных генерировать сильные толчки, сотрясения от которых могут сформировать максимальные колебания грунта в этих населенных пунктах. В северной части, на территории Сибирской платформы, зоны ВОЗ отсутствуют, а на расстояниях до 100 км к юго-западу от городов с объектами повышенной ответственности, особо ответственными сооружениями и большой численностью населения могут произойти землетрясения с магнитудой до M=7.9 (Хромовских и др., 1996). В соответствии с комплектом карт ОСР-97 такие землетрясения могут сформировать колебания грунта и сооружений в этих городах интенсивностью до 9 баллов по шкале MSK-64 (Уломов, 1999). При оценке смещений скального грунта учтены особенности среды и физических процессов, происходящих в очаговых зонах землетрясений южного Прибайкалья. Приведены результаты вычислений значений максимальной амплитуды AKmax и периода TKmax смещений скального основания в центральной части гг. Иркутска, Ангарска и Усолье-Сибирского. Установлено, что максимальные смещения в г. Иркутске могут быть вызваны толчками, произошедшими к юго-востоку и западу от города, в элементарных площадках №12 и №15. Максимальные амплитуд смещений скального основания в гг. Усолье и Ангарске возможны от толчков из элементарной площадки №15. Площадка №15 расположена в зоне повышенных значений сейсмического момента землетрясений в центральной части Восточно-Саянской зоны ВОЗ, высокий сейсмический потенциал которой (M=7.9) в совокупности с повышенной опасностью землетрясений делают эту зону чрезвычайно опасной в сейсмическом отношении. Расчеты амплитуды и периода максимальных смещений скального основания в городах Прибайкалья, выполненные с использованием динамических параметров очагов землетрясений, дают возможность учета природы сейсмических толчков и позволяют детерминировать районы с потенциально более опасными землетрясениями.

В четвертой части диссертации развиты методы и алгоритмы, направленные на решение задачи идентификации параметров и характеристик сейсмичности Байкальского региона, верифицирующих связь сейсмичности и НДС литосферы БРЗ. Развиваемая методология, математическое и алгоритмическое обеспечение позволяют по натурным и хорошо проверяемым материалам сейсмологических наблюдений верифицировать в сейсмичности качественно новые особенности структуры и эволюции литосферы БРЗ, обусловленные неоднородностью и неустойчивостью НДС среды. Верифицированные эффекты в контексте детерминированного хаоса могут быть поняты как бифуркации при переходе неустойчивой геолого-геофизической среды различного иерархического уровня из одного метастабильного состояния в другое. Такое представление развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса в условиях БРЗ, отражая особую роль и существенное влияние перестроек НДС литосферы на сейсмичность Байкальского региона, и обосновывают третье и четвертое защищаемое положение диссертации. В практическом плане полученная информация может быть использована для целей сейсмического районирования, прогноза сейсмической опасности и моделирования смещений скального грунта при сильных землетрясениях.