Статья: Тектонофизическая модель сейсмической зоны: опыт разработки на примере байкальской рифтовой системы

(1)

где n - количество сейсмических событий энергетических классов k от 8 до 16 за промежуток времени t, зарегистрированных для разломов длины L при ширине области их динамического влияния М, км. Ширина зоны М оценивается по уравнению

М=bL, (2)

где L - длина разломов, км; b - коэффициент пропорциональности, зависящий от L и по эмпирическим данным изменяющийся от 0.03 до 0.09 соответственно для трансрегиональных и локальных разломов [Шерман и др., 1983].

Рис. 1. Примеры локальных аномалий движений земной поверхности в зонах разломов в различных регионах [Кузьмин, 2004]: 1 - зоны разрывных нарушений; 2 - зоны аномальных вертикальных движений: 3 - амплитуды современных вертикальных движений земной поверхности; 4 - пробуренные скважины.

Рассмотрение вариаций КИСА на примерах разломной тектоники хорошо изученной БРС (рис. 2а, б), а также более широкой территории Центральной Азии [Шерман, Горбунова, 2008] свидетельствует об отсутствии ясно выраженной пространственной закономерности в активизации территориально сближенных в сейсмической зоне ансамблей разломов в чрезвычайно короткие интервалы реального времени. Создается кажущееся впечатление, что активизация разломов в границах сейсмоактивных зон происходит хаотично.

Рис.2. (а) ? Карта активных разломов Байкальской рифтовой системы по количественному индексу сейсмичности на базе сейсмических данных за 1960-2000 гг.: 1 - ось зоны современной деструкции литосферы; 2 - индекс сейсмичности >1.0 (весьма активные разломы); 3 - индекс сейсмичности 0.1-0.99 (активные разломы); 4 - индекс сейсмичности < 0.09 (неактивные разломы); 5 - разломы и их номера по каталогу, показанные на графиках; (б) ? графики временных изменений активности разломов по разрезу через центральную часть Байкальской рифтовой системы: вверху - графики изменения активности региональных разломов по разрезу через центральную часть Байкальской рифтовой системы (номера на графиках соответствуют номерам разломов на рис. а); внизу - график изменения активности по оси зоны современной деструкции литосферы в Байкальской рифтовой системе.

Эндогенные источники развития разломов и генетически связанной с ними сейсмичности в задаваемые (месяцы, годы), с геологической точки зрения мгновенные, интервалы времени остаются пространственно и энергетически стабильными. Это означает, что эндогенные энергетические факторы при активизации разломов в короткие интервалы реального времени и в неотектонически активных, и в относительно пассивных территориях, не превалируют. Следовательно, пространственно-временные закономерности в возбуждении активизации разломов следует искать в энергетически слабых, но достаточных для нарушения метастабильного состояния разломно-блоковой среды литосферы, триггерных механизмах. Для их исследования рассмотрим организацию сейсмического процесса в границах областей динамического влияния разломов в детально изученной Байкальской рифтовой системе.

Байкальская рифтовая система как полигон для разработки тектонофизической модели сейсмической зоны

Байкальская рифтовая система (БРС) является одной из наиболее сейсмически активных и в то же время социально значимых территорий России. Проблема анализа современного сейсмического процесса и прогноза землетрясений для региона объединяет фундаментальную и практическую важность исследований. Сейсмичность территории обусловлена структурной позицией БРС на границе Забайкальской и Сибирской литосферных плит Центральной Азии. Долгоживущий шов между ними определяет современный общий S-образный структурный план БРС, характеризующийся относительно закономерной сеткой разломов Шерман и др., 2002. Разломы БРС формировались в течение всей истории её геологического развития - от раннего палеозоя до кайнозоя включительно. Большая их часть активны в кайнозое. Однако эпицентральное поле землетрясений БРС не всегда согласуется с известной разломно-блоковой структурой региона.

Для анализа сейсмического процесса в БРС и оценки его связи с современной активной разломной тектоникой было проведено изучение «долговременного», условно стабильного на местности эпицентрального поля [Sherman et al., 2004]. Его анализ на фоне активизированной территории рифтовой системы позволил выделить площадь интенсивно напряженного пространства литосферы, оказавшейся по комплексу геолого-геофизических условий в особом положении, характеризующимся относительно долговременной аномальной концентрацией эпицентров. Геологическая природа подобного пространства - суть долговременная активизация разрывных структур, их разрастание, слияние и, реже, формирование новых дислокаций. Исследования Г.Г. Кочаряна и А.А. Спивака [2006], позволяющие находить слабые разломные звенья в общей блоковой структуре литосферы, дают дополнительное физическое обоснование при прочих равных условиях активизации более протяженных разрывов. Близкая по времени селективная активизация протяженных прежде всего разрывов определяет формирование зон современной деструкции литосферы и ее высокой сейсмической активности. Именно эти зоны или их составные крупные разломы являются структурными факторами локализации современных землетрясений. Локализация землетрясений связана с селективной активизацией разломов или более масштабных зон современной деструкции литосферы. По сути это крупная очаговая зона в понимании С.В. Гольдина и др. [2001], контролирующая сейсмический процесс.

Несогласованность в редких случаях пространственной общности в распределении очагов землетрясений и тектонических разломов можно рассматривать как сигнал о том, что фиксируемая инструментальными наблюдениями сейсмичность свидетельствует о новейшей современной деструкции хрупкой части литосферы, и, следовательно, не всегда должна корреспондировать с относительно консервативной по отношению к сейсмическому процессу известной разломно-блоковой структурой региона различных геологических этапов заложения и активизации. Следовательно, a priori можно ожидать проявление сейсмических событий в «монолитной» литосфере, но такие факты, вне сомнений, могут быть связаны только со слабыми по энергетическому классу событиями.

Для выделения зоны современной деструкции литосферы в БРС был разработан алгоритм обработки сейсмологических данных [Шерман и др., 2002; Sherman et al., 2004]. Известно, что в границах БРC происходит ежегодно до 4000 сейсмических событий, а их суммарное только зарегистрированное количество к настоящему времени превышает 130000 данных. Пространственное распределение эпицентров в первом приближении носит хаотический характер. По многотысячной базе многолетних данных были выделены районы относительно устойчивой во времени и пространстве концентрации очагов землетрясений, отражающие долговременную пространственную локализацию процесса деструкции. За критерий пространственно-временной устойчивости сейсмического процесса были приняты концентрации эпицентров землетрясений, значения плотностей которых превышали два среднеквадратических отклонения уD от среднего фонового значения распределения эпицентров в пределах БРС. По принятому алгоритму в границах БРС, используя совокупность из 30000 землетрясений с 8-го (представительного класса для выбранного периода времени и исследуемой территории) по 17-й энергетические классы (2.5?MLH ? 7.7) за 1961 - 1999 гг. были оценены плотности эпицентров на единицу площади по сетке, соответствующей трапеции 0.2° 0.3° по широте и долготе соответственно (рис. 3). На карте выделены участки, плотность эпицентров в которых превышает фоновую на два среднеквадратических отклонения оценки средней плотности. Они (участки) с высокой надежностью отражают стабильные во времени и пространстве места с интенсивной концентрацией эпицентров. Эти места характеризуют интегрированную величину сейсмического состояния в конкретных координатах пространства, которая отражает активно и долговременно протекающий в литосфере деструктивный процесс. Он локализуется в центральной части БРС, пространственно образуя S-образно вытянутую зону современной деструкции литосферы. Наметки этой структуры были выделены ранее и определены как развивающийся Байкало-Чарский разлом [Шерман, 1977]. Таким образом, выделяемая зона современной деструкции литосферы включает и объединяет известные на флангах БРС трансформные разломы [Шерман, Леви, 1978] с развивающимся Байкало-Чарским разломом в единую современно активную, протяженную и глубоко проникающую по гипоцентрам землетрясений [Гилева и др., 2000] деструктивную зону, к оси которой оказались приуроченными все известные в БРС сильные землетрясения (см. рис. 3).

Деструктивная зона может рассматриваться как самостоятельная геотектоническая структура, соответствующая начальным этапам формирования достаточно крупного межблокового разлома литосферы. Область его динамического влияния определяет современную сейсмическую активность БРС. Как развивающаяся дизъюнктивная структура зона современной деструкции литосферы хорошо корреспондирует с трансформными [Шерман, Леви, 1978], и со многими известными генеральными и региональными разломами, которые можно рассматривать как ее составные элементы. Подтверждается сделанный раннее В.В. Ружичем [1997] более широкий вывод о том, что развитие всей БРС можно рассматривать как формирование крупномасштабного деструктивного элемента литосферы.

Таким образом, организация сейсмического процесса в БРС характеризуется сосредоточиванием очагов сильных землетрясений за более чем двухсотлетний период в относительно узкой сложной по форме и протяженной по простиранию зоне, вдоль которой группируются участки долговременной высокой плотности эпицентров всех других землетрясений, окруженные площадями рассредоточенной сейсмичности. Более детальные формы организации сейсмического процесса связаны с временной последовательностью возникновения событий в областях динамического влияния достаточно часто повторно активизирующихся в реальном времени конкретных разломов.

Рис. 3. Карта плотности эпицентров землетрясений в Байкальской рифтовой зоне: 1 - изолинии плотности эпицентров с шагом 20 событий: первая изолиния 15 соответствует фону, утолщенные изолинии соответствуют ареалам, у которых повышенная плотность эпицентров превышает фоновое значение + 2уD; 2 - ось деструктивной зоны литосферы; справа от рисунка - очаги землетрясений соответствующих магнитуд (1760-1999 гг.).

На основе определяющего критерия современной активизации разломов ? приуроченности к ним очагов землетрясений ? и представлений об областях генерации землетрясений, опубликованных в [Гольдин, 2002 и др.], были построены карты для активных разломов Центральной Азии (рис. 4а) и выявлены неизвестные ранее для рассматриваемого региона свойства современных активных разломов, которые использованы для получения новых данных о структурных закономерностях и геодинамических источниках активизации разрывов. Эти свойства - тенденция активизации разломов в реальном времени, ее направленность и скорость - были обнаружены благодаря построению графиков (по аналогии с [Вилькович и др., 1974; Kasahara, 1979 и др.]), на оси абсцисс которых откладывались длины разломов с соответствующими положениями эпицентров землетрясений; на оси ординат ? время событий [Шерман, 2007]. На графиках в координатах время?пространство наклоны линий отражают временныме тренды сейсмических событий на разрывах - суть направления их дополнительного «вспарывания», выраженного сейсмическими очагами ? эпизодами в долговременном развитии разломов. Временные тренды образуют системы параллельных прямых, как если бы вдоль соответствующих разломов распространялись с постоянной скоростью серии возмущений, инициирующих сейсмические события (рис. 4б). Каждая прямая соответствует возмущениям в конкретных разломах, наклон прямых определяет скорость, а их отклонение влево или вправо от вертикали ? направление возмущений по простиранию разрывов. Временные тренды по одинаковым углам наклона кривой к оси абсцисс систематизируются в четыре статистически обеспеченные группы (таблица), которые по критерию одинаковых векторов скоростей ? направленных возмущений разломов ? свидетельствуют об идентичных параметрах их активизации (см. рис. 4б).

Рис. 4. (а) ? активные разломы Центральной Азии и их группировка по параметрам современной активизации: 1 - номера групп разломов в соответствии с таблицей в тексте; 2 - разломы с неопределенными параметрами активизации; 3 - неактивные разломы; 4, 5 - разломы с преобладающими векторами движения волн возмущения: 4 - с востока на запад; 5 - с запада на восток; (б) - примеры графиков временных трендов сейсмических событий в четырех группах разломов с разными скоростными характеристиками активизации. Оси ординат - годы сейсмических событий; оси абсцисс - длины разломов, км.

Таблица

Параметры современной активизации разломов Центральной Азии

Между скоростью процессов активизации разломов V и их средней длиной L фиксируется высокая нелинейная корреляционная связь r = 0.9, а уравнение регрессии описывает ее следующими нелинейными взаимоотношениями параметров:

V =7Е-0.6L3 - 0.0053L2 + 1.2098L ? 81.725 (км/год) при R2 = 0.9971,

где R2 - достоверность аппроксимации. Кроме того, регистрируется различное пространственное направление временного тренда в разломах - вектора активизации.

Выявленные свойства разломов - разная скорость и векторная направленность активизаций, скорее всего связанная с прохождением деформационных волн возбуждения, ? дают основание говорить о региональных источниках генерации деформационных волн - триггерных механизмах активизации разломов в реальном времени. Синхронная активизация разломов по группам, характеризующимися идентичными длинами по простиранию, свидетельствует о том, что деформационные волны разных длин и скоростей вызывают резонансную активизацию разломов определенных длин. На наличие деформационных волн, их скоростной характеристике и возможности вызывать возмущения в метастабильной среде литосферы указывали многие исследователи [Быков, 2005; Николаевский, Рамазанов, 1986; Уломов, 1993; Kasahara, 1979; Nikonov, 1976; Никонов, 1975 и мн.др.].