тектонофизическая модель сейсмической зоны: опыт разработки на примере байкальской рифтовой системы
Показано, что известные различные модели очагов землетрясений объясняют происхождение того или иного сейсмического события, но не отражают общую геодинамическую ситуацию в сейсмической зоне и не могут быть использованы для понимания закономерностей сейсмического процесса в целом и его прогноза. На основе хорошо изученной разломной тектоники и сейсмичности Байкальской рифтовой системы предложена тектонофизическая модель сейсмической зоны. Концептуальной основой тектонофизической модели сейсмической зоны является: разломно-блоковая среда хрупкой части литосферы, достаточно частая активизация разноранговых разломов в реальном времени, инициированная деформационными волнами различной длины и скорости, сейсмические события последовательно происходящие преимущественно по одному из направлений конкретных активизированных разломов. Сейсмический процесс в той или иной части зоны может быть стимулирован наличием флюидов, наведенной сейсмичностью или другими факторами. Разрабатываемая тектонофизическая модель сейсмического процесса открывает возможности использования современных геоинформационных систем для расчетов за заданный интервал времени последовательной закономерности активизаций разрывов, а в границах областей их динамического влияния - последовательности возникновения отдельных очагов. Модель и принципиально возможные расчеты на ее основе приближают нас к средне- и краткосрочному прогнозу землетрясений.
землетрясение сейсмический рифтовый байкальский
Введение
Преобладающее большинство публикаций и разработок, посвященных физическим основам прогнозирования землетрясений, посвящено формированию их очагов как индивидуальных событий. В этом направлении хорошо разработана физика очага, предложен целый ряд моделей нарушения прочности сплошной среды литосферы или динамической устойчивости ее блоковой структуры [Костров, 1975; Мячкин, 1978; Садовский и др. 1980; Родкин, 2001; Scholz, 2002; Finna, 2003; и мн.др.]. Исходя из процессов, предваряющих разрушение или нарушение метастабильного состояния блоковой среды литосферы, глубоко изучены предвестниковые процессы и признаки грядущих сейсмических событий [Соболев,1993; Соболев, Пономарев, 2003; Зубков, 2002; и мн.др.]. Предложены методы комплексирования различных типов предвестников, определения их ретроспективных статистических и других характеристик для разработки алгоритма и создания карты ожидаемых землетрясений [Завьялов, 2006], а также конструктивные подходы к созданию теории подготовки тектонического землетрясения [Добровольский, 1991; Meissner, Kern, 2008]. Много внимания при общем анализе сейсмического процесса уделено временным циклам землетрясений [Маламуд, Николаевский, 1989; Ружич, 1997; Гамбурцев, 1992; Jonsdottir et al., 2006]. Анализы пространственно-временной группировки очагов землетрясений с учетом их взаимодействия, рассмотренные на классических примерах Камчатского региона, дали основание для разработки физики волнового сейсмического процесса [Викулин, 2003]. Рассмотрены геолого-структурные позиции очаговых зон сильных землетрясений в ряде регионов мира [Рогожин и др., 2002, 2008; Kim et al., 2007]. Исследования последних лет, базирующиеся на широком использовании компьютерной техники и специальных программных обеспечений, разрешающие работать с тысячными базовыми данными, дали толчок к широким обобщениям и реконструкциям пространственно-временных вариаций сейсмичности Земли [German, 2006; Console et al., 2006; Соболев, 2002; Ребецкий, 2007; Чипизубов, 2008; и мн. др.]. При синтезе сейсмического процесса и его прогнозе очень часто исследователи опираются на статистический анализ пространственно-временного расположения эпицентров и крупных очаговых зон. Тем не менее, принципиальная модель сейсмической зоны до сего дня глубоко не разработана. Одна из причин - относительно суженная, хотя и во многом фундаментальная, но только «односторонняя» физическая база, используемая для анализа сейсмических данных.
Общая фундаментальная физическая база моделей очагов землетрясений
В наиболее распространенных моделях по подготовке землетрясений или постфактум доминирует схема разрушения твердого, хрупкого, упруго-хрупкого или вязкоупругого тела с различными вариантами образования трещин, а при их исходном наличии - разрастания трещин, их слияния или подвижки по исходному генерализованному разрыву. По сути землетрясение - локальное проявление нарушения состояния ограниченного объема исходной среды. Естественно, оно готовится продолжительное время, стимулируется серией различных факторов, среди которых превалирующими являются накопление и разрядка напряжений. И.П. Добровольским [1991] была предложена консолидационная модель подготовки тектонического землетрясения. Ее существенное отличие от моделей «механического» разрушения среды заключалось в том, что при длительной подготовке землетрясения в недрах будущего очага происходят физико-химические процессы, которые изменяют свойства горных пород. Эти изменения локализуются в небольших объемах, создавая неоднородности, «зацепы» с теми или иными размерами, определяющими энергию будущего землетрясения. В конце концов речь все же идет о подготовке и условиях реализации одного события, в основе которого, так или иначе, лежит разрушение если не целостной, то блоковой среды, даже, и это справедливо, с различными реологическими свойствами. В этом плане очень существенен и важен вывод С.В. Гольдина и соавторов 2001 о том, что методологическим недостатком современных моделей, относимых к физике очага землетрясений, является их нацеленность на локализованную зону - место будущего землетрясения. «Представляется, - пишут авторы 2001, с. 1490, - физика очага должна со временем уступить место физике достаточно крупных очаговых зон». В статье нет толкования понятия «крупные очаговые зоны». Несложно представить, возвращаясь к контексту статьи, что имеются в виду площади или объемы, в которых зафиксированы несколько локальных очагов, объединяемых в пространственно-временную зону. Ею может быть определенная часть сейсмической зоны или, обобщая, вся она в целом.
Хорошо известную миграцию сейсмического процесса нельзя объяснить ни одной из разработанных моделей очагов землетрясений. В цели разработчиков очаговых зон землетрясений и не входили задачи исследовать пространственно-временную взаимосвязь последовательных сейсмических событий в единой сейсмической зоне. Однако, последнее особенно важно и для понимания сейсмического процесса в целом, и для его прогноза. В уже цитированной работе С.В.Гольдина и коллег [2001], замеченную П.Г. Дядьковым и др. [Дядьков и др., 1999] миграцию сейсмического процесса в Байкальской рифтовой системе (БРС) впервые связывают с реологическими свойствами среды - низкой эффективной вязкостью земной коры центральной части БРС по сравнению с ее флангами. По этой причине фиксируется запаздывание начала сейсмической активизации в центральной части БРС по отношению к флангам: «в среде с низкой эффективной вязкостью возможность накопления упругой энергии, необходимой для генерации сильных землетрясений, возникает только при интенсивных внешних нагружениях, связанных с относительно быстрыми перераспределениями напряжений и с повышением скорости деформирования на региональном уровне» с. 1489. Представление о ведущей роли реологических свойств среды в сейсмическом процессе, с чем, безусловно, надо согласиться, можно использовать и для объяснения отмеченной периодичности в пространственной миграции сейсмических событий и их связи с иерархическим рангом разрывов. Изложенное близко совпадает с исследованиями Ю.В.Ризниченко [1985, стр. 278], предложившим для общего понимания процессов сейсмичности называть «сейсмическим течением горных масс ту часть тектонических деформационных движений - тектонического течения - земной коры и верхней мантии в больших пространственно-временных областях, которая обязана совокупности происходящих здесь землетрясений». М.А. Садовский, Л.Г. Болховитинов, В.Ф. Писаренко [1980] обратили внимание на необходимость рассматривать значительные площади сейсмической разломно-блоковой среды для оценки закономерностей сейсмического процесса. Они указали на мультимодальность блоковой тектоники земного шара и связанные с ней некоторые закономерности сейсмического процесса.
Кратко изложенные представления о физике очага землетрясения свидетельствуют о хорошей фундаментальной проработке этого вопроса и наличии целой группы моделей, описывающих процесс подготовки и реализации сейсмического акта. Ни в одной из цитированных и других работах никогда не ставилась под сомнение определяющая роль разломной тектоники в контролировании как отдельных сейсмических событий, так и процесса в целом. Однако, и существенного внимания не только к разломной тектонике, но и вообще к характеристике неотектонической обстановки и активизации разрывных и других структур, контролирующих сейсмические события, в современных сейсмологических исследованиях не уделяется. Это, на наш взгляд, является основной причиной слабой разработки весьма необходимых сегодня моделей для сейсмических зон как целостных неотектонических формирований.
Разработка комплексной тектонофизической модели сейсмического процесса затруднена отсутствием детально изученного переходного звена между современной активизацией разломов и сейсмичностью. Не взирая на основополагающие модели очагов землетрясений, отталкивающиеся от концепции «очаг - трещина», при переходе на анализ сейсмического процесса исследователи, в основном, продолжают опираться на статистический анализ пространственно-временной локализации очагов землетрясений. При этом опускаются из внимания кинематические, синергетические и другие процессы в зонах активных разломов, контролирующих сейсмические события.
Сейсмический процесс - суть комплекс сейсмических событий, генерируемых селективной активизацией разломов в сейсмической зоне в интервалах реального времени. Современная модель сейсмического процесса должна быть привязана к сетке разломной тектоники, селективная активизация которой должна быть рассмотрена в интервалах шкалы реального времени. Землетрясение не является случайным событием, оно готовится продолжительное время, имеет множество разных долго- и коротко срочных предвестников. Для их достаточно однозначной интерпретации нужна новая комплексная модель, основанная на геологии, современной геодинамике и движениях коры, ее напряженном состоянии, разломах и формируемых ими разломно-блоковых структурах, нарушение метастабильного состояния которых в реальном времени связано с определенными триггерными источниками. Разломы, их активизация в чрезвычайно коротких интервалах реального времени могут быть определяющими факторами при разработке тектонофизической модели сейсмической зоны.
Некоторые вопросы организации сейсмического процесса
В сейсмологии существует понятие сейсмический режим, под которым понимается совокупность землетрясений какой-либо области, рассматриваемая в пространстве и во времени [Ризниченко, 1985, с. 34]. Объем этого понятия включает большой комплекс характеристик: сейсмическая энергия, плотность и повторяемость землетрясений, определения графика повторяемости, плотность сейсмической энергии очагов землетрясений и др., в том числе анализ хода сейсмического режима во времени и его флуктуации. В современной геодинамике чаще используется понятие сейсмический процесс, под которым понимается пространственно-временное изменение эпицентрального поля в сейсмической зоне с дополнительной, при необходимости, характеристикой гипоцентров и отдельных событий с максимальной энергией. В выше приведенном представлении автора статьи сейсмический процесс - суть комплекс сейсмических событий, генерируемых селективной активизацией разломов в сейсмической зоне в интервалах реального времени. Здесь акцент сделан на разрывных структурах, контролирующих временнумю последовательность совокупности событий. При этом определении события взаимосвязаны друг с другом только в объеме контролирующего их разрыва. Другие авторы, например, А.В.Викулин [2004, с. 91], ставя на первое место проблему взаимосвязи событий, отмечает, что «…с позиций современных тектонических представлений первоосновой процесса является не отдельно взятое изолированное землетрясение - такого явления в «жизни» Земли не существует, а совокупность взаимосвязанных землетрясений - сейсмический процесс, реализуемый в глобальном тектоническом поле». Это достаточно широкое понятие сейсмического процесса, модель которого построить в настоящее время достаточно сложно.
Для тектонически активных районов с детальной изученностью разломной тектоники и особенно сейсмичности сопоставление разрывных структур и эпицентрального поля землетрясений, отражающих пространственно-временную характеристику сейсмического процесса, не представляется простым. Сложность заключается в сочетании интенсивной разломно-блоковой раздробленности земной коры и высокой плотности эпицентрального поля землетрясений. Трудности анализа повышаются из-за несопоставимости времен развития и активизации разломов и зафиксированных в каталогах записей эпицентров землетрясений. Формирование разломно-блоковой структуры литосферы представляет собой прерывистый процесс общей продолжительностью в десятки и сотни миллионов лет. Инструментальные данные о распределении эпицентров землетрясений известны за десятки или сотню лет. Прямое пространственно-временное сопоставление разломной тектоники и сейсмичности требует привлечения дополнительных приемов анализа. Один из выходов складывающейся ситуации для Байкальской рифтовой системы (БРС) был предложен в работе [Sherman, Gladkov, 1999], в которой использовался фрактальный анализ. Он подтвердил интегрированную взаимосвязь разломной тектоники на разных иерархических уровнях с сейсмическими событиями различных энергетических классов. Процессы разломообразования и сейсмичности оказались сбалансированными в центральной части БРС и несбалансированными на ее флангах. Был сделан самого общего характера долгосрочный прогноз о преимущественном развитии сейсмичности на флангах БРС. Эти вопросы продолжают активно обсуждаться [Лукк и др., 1996; Захаров, Савчук, 2008].
Достаточно хорошо изучены параметры взаимосвязи сейсмичности с разломной тектоникой. Аналитическая зависимость между ними обсуждалась во многих работах, один из последних обзоров которых опубликован О.В. Луниной [2001]. Разломообразование и сейсмичность взаимосвязанные процессы, отражающие закономерности современной деструкции литосферы [Шерман, 2002]. Тем не менее, знания о зависимостях между длинами разломов, амплитудами смещений и магнитудами землетрясений позволяют говорить только о сейсмическом потенциале известных на территории разломов. Остаются неизвестными время и сила реализации их сейсмического потенциала, а также тот конкретный разлом в сейсмической зоне, где может произойти землетрясение. Необходимо изучить закономерности активизации разломов в реальном времени.
Активизация разломов в реальном времени
С начала 90-х годов прошлого века Ю.О. Кузьмин, В.А. Сидоров, В.С. Жуков в ряде публикаций сопоставили данные, полученные идентичными системами геодезических измерений (плотность пунктов наблюдений, точность и частота опросов), расположенными в сейсмоактивных и асейсмичных районах [Кузьмин, 2004; Кузьмин, Жуков, 2004 и др.]. Выявлены приуроченные к зонам разломов различных типов и порядков вертикальные и горизонтальные интенсивные локальные аномалии. Они высокоамплитудны (50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1-1 год), пространственно локализованы (0.1-1 км), обладают пульсационной и знакопеременной направленностью. Относительные изменения среднегодовых скоростей для них чрезвычайно высоки и составляют величины порядка (2-7)Ч10-5/год. Подобные интенсивные движения в зонах разломов Ю.О. Кузьмин [2004] назвал суперинтенсивными деформациями земной поверхности в зонах разломов. Им же предложена классификация основных типов аномального изменения современных движений земной поверхности в пределах зон, или областей активного динамического влияния разломов (рис. 1). Таким образом, совершенно независимым геодезическим методом установлена высокая современная подвижность крыльев разломов в регионах с разными современными типами и интенсивностью движений земной коры.
Более узкие временные рамки для оценки активизации разломов в реальном времени предложены в работе С.И. Шермана, А.П.Сорокина и В.А. Савитского [2005]. Авторы, вслед за В.Г. Трифоновым [1985] предлагают уточнить понятие сейсмоактивный разлом фактом приуроченности к нему сейсмического события. При этом, другие геологические и геоморфологические критерии активизации отступают на второй план, поскольку хорошо известно, что не все разломы, активные по геоморфологическим признакам, являются сейсмоактивными в настоящее время. Предложено оценивать степень современной активности разломов по количественному индексу сейсмической активности оn (КИСА), рассчитываемому по уравнению [Шерман, Сорокин, Савитский, 2005]: