Изложенное позволяет в первом приближении представить тектонофизическую модель сейсмической зоны. Модель предназначена увязать селективную активность разноранговых разломов в реальном времени с современным сейсмическим процессом.
Тектонофизическая модель сейсмической зоны
Сейсмический процесс представляет собой наиболее яркое выражение современного геодинамического развития территории. Он интегрирует нарушения динамического равновесия разломно-блоковой структуры литосферы, вызванные изменениями регионального или локального напряженного состояния, активизацией и подвижками по разрывам, появлением или трансформациями флюидных масс, другими причинами, способными нарушить метастабильное состояние разломно-блоковой среды литосферы. К последним можно отнести наведенную сейсмичность, причиной которой может быть любой другой более сильный сейсмический акт. Совершенно естественно, что воздействие различных причин и факторов на метастабильную разломно-блоковую структуру верхней хрупкой части литосферы может иметь разные последствия. Если говорить не об отдельных актах, а о сейсмическом процессе на определенной территории, то его определяющими факторами в порядке уменьшения значимости явятся: тектоническая активизация значительной по площади территории (десятки тысяч и более квадратных километров) - разломно-блоковое строение ее литосферы - интенсивные современные движения литосферы - превалирование одного из типов напряженного состояния литосферы - пространственная организация межблоковых разломов и их сетки по направлениям, одно из которых, как минимум, не препятствовало бы разрядке постоянно действующих региональных напряжений. При таком геодинамическом «разупрочненном» метастабильном состоянии верхней хрупкой части литосферы дополнительное воздействие на нее любым триггерным механизмом вызовет ответную реакцию в структурах и процессах в последовательности, обратно изложенной.
То есть, триггерный фактор явится причиной последовательной селективной активизации разломов, которая будет происходить в разных местах вовлеченного в движения объема литосферы и в соответствии с длинами деформационных волн и ранговой принадлежностью разломов, резонансный отклик которых - суть подвижка по разрыву и сейсмическое событие. Его энергетический потенциал будет корреспондировать с длинами разломов, их положением и состоянием как пограничной межблоковой структуры, а также дополнительными факторами, способными воздействовать на состояние (см. ниже) разломно-блоковой среды. Пространственно-временная локализация очагов в каждый конкретный момент времени будет определяться положением активизированных разрывов и «очередностью» расположения события в пределах области динамического влияния конкретных дизъюнктивов (рис. 5).
Рис. 5. Тектонофизическая модель сейсмической зоны (а) и ее изображение в формате 3D (б): 1 - корневая часть зоны, представленная региональными и трансрегиональными многократно активизированными разломами, преимущественно докайнозойского заложения; 2 - региональные разломы, характеризующиеся нестационарной моделью развития; 3 - локальные разломы, характеризующиеся нестационарной моделью развития; 4, 5, 6 - гипоцентры очагов землетрясений различных магнитуд; 7, 8, 9 - эпицентры очагов землетрясений различных магнитуд; 10 - плоскости разломов; 11 - примерные границы зоны активной современной деструкции литосферы
Модель на рисунке представляет собой принципиальный разрез Байкальской сейсмической зоны (синоним Байкальская рифтовая система) в направлении СЗ-ЮВ. В основу модели положены основные разломы (см. рис. 2) и долговременное распределение плотности очагов землетрясений с известными исторически сильными землетрясениями (см.рис. 3). Ось зоны современной деструкции литосферы - суть формирующаяся активная межблоковая граница, контролирующая наиболее сильные сейсмические события. Другие разноранговые разломы, главным образом, параллельные зоне, а также перпендикулярные ей и прочие соответствующей группой деформационных волн вовлекаются в активизацию и все вместе предопределяют сейсмический процесс во всей зоне. При этом сохраняются хорошо известные соотношения между длинами разломов и их сейсмическим потенциалом. В настоящее время в БРС можно выделить четыре основные группы волн с различными временными периодами и скоростями активизирующих разломы разных длин и направлений (рис. 6) [Шерман, Горбунова, 2008]. Модель отражает и известную характеристику сейсмичности для БРС и других сейсмических зон: чем сильнее сейсмическое событие, тем ближе оно располагается к оси основного разрыва.
В целом описанный идеальный процесс по своей последовательности может нарушаться. Этому будут способствовать флюиды, наведенная сейсмичность, вызванная дополнительными нагрузками на первично трещиноватую среду или близко произошедшими сильными сейсмическими событиями, волны от которых явятся внеочередными, дополнительными стимуляторами подвижек или более слабых возбуждений отдельных рядом расположенных разломов. В изложенной последовательности наиболее существенна роль флюидов, особенно воды, наличие и распространение которой в разломно-блоковой среде контролируется разломной тектоникой. О роли воды в сейсмическом процессе глубокие многолетние исследования проведены И.Г. Киссиным и другими исследователями [Киссин, 2007; Барабанов и др., 1988;]. Изменение напряжений, сейсмическая активизация разломов, вызванная подвижками по ним или периодическим воздействием флюидов, также показана в ряде недавно опубликованных работ [Bezerra et. аl., 2007; Matsumura, 2006; Toda, Matsumura, 2006]. Наличие флюидной фазы в трещинах существенно снижает трение, срабатывает эффект Ребиндера и снижается прочность, увеличивается дилатансия пород - появляется группа признаков, направленная на уменьшение прочностной характеристики массива. Сочетание перечисленных и других, менее значимых факторов, может способствовать некоторому нарушению временной последовательности активизации разломов и/или тенденции векторной направленности формирования в них очагов. Однако подобные факторы не искажают основной ритм процесса, характерный для неотектонического режима рассматриваемой территории.
В целом, разрабатываемая модель организации сейсмического процесса в сейсмоактивной зоне требует от нас, прежде всего, исследовать источники и закономерности активизаций в реальном времени разрывных структур, контролирующих сейсмические события. Параллельно необходимо учитывать гидрогеологический режим и другие дополнительные факторы в конкретном районе для оценки степени их вероятного влияния на возникновение конкретных, возможно «внеочередных», очагов, нарушающих пространственно-временную организацию сейсмического процесса.
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.
Рис. 6. Расположение активных разломов Центральной Азии с различными скоростями и векторами деформационных волн возбуждения. (а) - разломы 1-ой группы; (б) - разломы 2-ой группы; (в) - разломы 3-й группы; (г) - разломы 4-ой группы. Пунктирная линия - вектор активизации разломов направлен с запада на восток; сплошная линия - вектор активизации разломов направлен с востока на запад. Стрелки - примерное направление фронта деформационных волн возбуждения (активизации) разломов.
Заключение
Широко распространенные в последние годы различные статистические методы обработки мировых и региональных данных по эпицентрии и энергетическим параметрам сейсмического процесса являются весьма важным синтетическим фактором более глубокого понимания современной геодинамики Земли. Однако только статистические методы не могут привести нас к кратко- и среднесрочному сейсмическому прогнозу в конкретных сейсмических зонах. Очень часто статистическая обработка материалов оторвана от геодинамической ситуации. Уже многие годы публикуются результаты исследований, свидетельствующие о важности оценки общей геологической ситуации в эпицентральных местах, не говоря уже о сейсмических зонах, исследование разрывных структур которых и источников их активизаций является актуальной задачей [Yeats et al., 1977; Рогожин и др., 2007].
Построение комплексной тектонофизической модели сейсмического процесса - одна из областей предстоящих углубленных исследований тектонофизики и сейсмологии. Ее решение откроет прямую дорогу к познанию закономерностей пространственно-временной локализации землетрясений и их прогнозу. Изучение закономерностей деструкции литосферы, образования разломно-блоковой структуры, селективной активизации разрывов и синхронно протекающей сейсмичности, разработка теоретических моделей этого сложного комплексного процесса - одна из общих ближайших задач тектонофизики и сейсмологии.
Исследования выполнены при поддержке РФФИ (грант 07-05-00251) и интеграционного проекта СО РАН «Землетрясения, горные удары, внезапные выбросы породы, угля и газа: механизмы формирования и критерии прогнозирования катастрофических событий».
Литература
1. Барабанов В.Л., Гриневский А.О., Киссин И.Г., Милькис М.Р. Проявления деформационных волн в гидрогеологическом и сейсмическом режимах зоны Передового Копетдагского разлома // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. № 5. С.21-31.
2. Быков В.Г. Деформационные волны Земли: концепция, наблюдения и модели // Геология и геофизика. 2005. Т. 46. № 11. С. 1176 ? 1190.
3. Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГПУ. 2003. 151 с.
4. Викулин А.В. Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГПУ. 2004. 240 с.
5. Вилькович Е.В., Губерман Ш.А., Кейлис-Борок В.И. Волны тектонических деформаций на крупных разломах // ДАН СССР. 1974. Т. 219. № 1. С. 77-80.
6. Гамбурцев А.Г. Сейсмический мониторинг литосферы. М.: Наука. 1992. 200 с.
7. Гилева Н.А., Мельникова В.И., Радзиминович Н.А., Девершер Ж. Локализация землетрясений и средние характеристики земной коры в некоторых районах Прибайкалья // Геология и геофизика. 2000. Т. 41. №5. С.629-636.
8. Гольдин С.В. Деструкция литосферы и физическая мезомеханика // Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5. № 5. С. 5 ? 22.
9. Гольдин С.В., Дядьков П.Г., Дашевский Ю.А. Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне // Геология и геофизика. 2001. Т. 42. № 10. С. 1484-1496.
10. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: ИФЗ. 1991. 217 с.
11. Дядьков П.Г., Мельникова В.И., Назаров Л.А. и др. Сейсмотектоническая активизация Байкальского региона в 1989-1995 годах: результаты экспериментальных наблюдений и численное моделирование изменений напряженно-деформированного состояния // Геология и геофизика. 1999. Т. 40. № 3. С. 373-386.
12. Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений. М.: Наука. 2006. 254 с.
13. Захаров В.С., Савчук О.В. Самоподобные свойства сети активных разломов и сейсмичности //Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики. Материалы 41 совещания Междуведомственного тектонического комитета. Том 1. М.: ГЕОС. 2008. С. 324-329.
14. Зубков С.И. Предвестники землетрясений. М.: ОИФЗ РАН. 2002. 140 с.
15. Киссин И.Г. Новые данные о «чувствительных зонах» земной коры и формирование предвестников землетрясений и постсейсмических эффектов // Геология и геофизика. 2007. Т. 48. № 5. С. 548-565.
16. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука. 1975. 176 с.
17. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. М.: ИЦК «Академкнига». 2003. 423 с.
18. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. М.: ИЦК «Академкнига», 2003. - 423 с.
19. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломных зон // Физика Земли. 2004. № 10. с.95-111.
20. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. - М.: Изд-во Московского госуд. горного университета. 2004. 262 с.
21. Лукк А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. М.: ОИФЗ РАН. 1996. 210 с.
22. Лунина О.В. Влияние напряженного состояния литосферы на соотношения параметров сейсмогенных разрывов и магнитуд землетрясений // Геология и геофизика. 2001. Т.42. №9. С.1389-1398.
23. Маламуд А.С., Николаевский В.Н. Циклы землетрясений и тектонические волны. Душанбе: изд-во «Дониш». 1989. 144 с.
24. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. М.: Наука. 1978. 232с.
25. Николаевский В.Н., Рамазанов Т.К. Генерация и распространение волн вдоль глубинных разломов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1986. № 10. С. 3-13.
26. Никонов А.А. Миграция сильных землетрясений вдоль основных зон разломов Средней Азии // ДАН СССР. 1975. Т. 255. № 2. С.306-309.
27. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и прочность природных массивов. М.: ИЦК «Академкнига». 2007. 406 с.
28. Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. Избранные труды. М.: Наука. 1985. 408 с.
29. Рогожин Е.А., Овсюченко А.Н., Мараханов А.В., Ушанова Е.А. Тектоническая позиция и геологические проявления Алтайского землетрясения 2003 г. // Геотектоника. 2007. № 2. С. 3-23.
30. Рогожин Е.А., Овсюченко А.Н., Мараханов А.В. Сильнейшие землетрясения на юге Горного Алтая в голоцене // Физика Земли. 2008. № 6. С.31-51.
31. Рогожин Е.А., Платонова С.Г. Очаговые зоны сильных землетрясений Горного Алтая в голоцене. М.: ОИФЗ РАН, 2002. 130 с.
32. Родкин М.В. Проблема физики очага землетрясения: противоречия и модели // Физика Земли. 2001. № 8. С. 42-52.
33. Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. Новосибирск: Изд. СО РАН. 1997. 144 с.
34. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука. 1980. 100 с.
35. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: «Наука». 1993. 313 с.
36. Соболев Г.А. Динамика разрывообразования и сейсмичность // Тектонофизика сегодня. М.: ОИФЗ РАН. 2002. С. 67-78.