Деформационные волны, как триггерный механизм сейсмической активности в сейсмических зонах континентальной литосферы
Введение
«Без большого преувеличения можно сказать:
время возникновения всех землетрясений
определяется триггерным воздействием»
Г.А. Соболев (2011,стр.45)
Деформационные** Геодинамика и тектонофизика. - 2013. - т. 4, № 2. С. 83-117. волны как триггерный механизм сейсмической активности и миграции очагов отдельных землетрясений более пятидесяти лет дискутируются в сейсмологии и геодинамике. В статье известные принципиальные данные о воздействии волновых процессов на сейсмичность и новые материалы сгруппированы в пять разделов. В первом дан обзор аналитических и экспериментальных исследований по выявлению взаимосвязей между волновыми процессами в литосфере и сейсмической активностью, проявляющейся в формах пространственно-временных миграций отдельных очагов землетрясений или их групп. Проведена систематизация многообразия в наименованиях волн в литосфере, стимулирующих сейсмический процесс, в единое ёмкое по содержанию наименование, чаще всего используемое различными авторами, - деформационные волны.
Второй раздел содержит описание деформационных волн как триггерных механизмов при сейсмическом процессе. Сделан вывод о функционировании разнообразных методов выделения деформационных волн, базирующихся на разных методиках исследований и, естественно, обладающих неодинаковой чувствительностью к обнаружению волн и/или их воздействию на сейсмический процесс. Эпицентры редких сильных землетрясений группируются в своеобразные линейные или дугообразные системы, объединяющим критерием которых является общий временной интервал свершения событий. Системы на местности формируют подобные последовательно расположенные зоны, корреспондирующие с физическим понятием движущихся волн (рис. 9). Их периоды оцениваются миллионами лет, что усложняет прямое решение вопроса о наличии волн и их параметрах. В геодинамике и сейсмологии пока другого выхода нет.
Решение о фиксировании деформационных волн в литосфере предложено в третьем разделе статьи. Принимая во внимание, что все землетрясения с М?3.0 приурочены к зонам разломов, автор кратко излагает методику оценки пространственно-временной закономерности локализации эпицентров в областях динамического влияния разломов. Методика позволяет оценить превалирующее направление миграции эпицентров, соответствующее фазовой скорости деформационной волны, нарушающей метастабильное состояние разломно-блоковой среды, возникновению подвижки между контактирующими блоками и, соответственно, сейсмического события (рис. 14). Интеграция векторов миграций эпицентров по активным разломам воспроизводит картину векторов движений деформационных волн в сейсмических зонах континентальной литосферы (рис. 18).
В последующих двух разделах проанализированы региональные и трансрегиональные деформационные волны. Установлены вектора деформационных волн сейсмических зон Центральной Азии, дана схема их региональной ориентировки и оценены основные параметры - длина и период (рис. 19). Выделены три глубинных уровня деформационных волн, соответственно охватывающих всю литосферу, её верхний хрупкий слой и верхнюю часть хрупкого слоя (рис.20).
Сделан вывод о том, что ведущим фактором последовательного, закономерного в пространстве и времени накопления очагов землетрясений в сейсмической зоне являются воздействующие на геофизическую среду деформационные волны. Такое понимание базовой основы сейсмического процесса требует его более глубокого обоснования на фоне известных современных представлений, его обновленной феноменологической концепции и построения модели сейсмической зоны как самостоятельной геолого-геофизической структуры литосферы с отчетливо выраженными свойствами, позволяющими тестировать её на предмет возможностей прогноза землетрясений.
К настоящему времени наличие волновых процессов в литосфере Земли обсуждено в целом ряде монографий [Khain, Khalilov, 2008? Vikulin, 1990, 2003? Bykov, 1999, 2000, 2005] и значительном количестве статей, основополагающими из которых являются работы К.Аллена [Allen, 1969] и К.Касахары [Kasahara, 1979]. Волны, так или иначе связанные с сейсмическим процессом, получили различные названия при описании разными авторами, хотя суть интерпретируемых волновых процессов различается не всегда и не существенно. Чаще всего фигурируют наименования: волны сейсмоактивности [Mogi, 1973], D-волны, которые генерируются у полюсов и распространяются вдоль меридианов и служат триггерными механизмами для землетрясений на тройных соединениях плит [Guberman, 1979], криповые волны напряжений [Savage, 1971? Saprygin, 1982], фронт деформаций волновой природы [Sholz, 1977], круговые волны [Zhadin, 1984], волны активизации разломов, деформационные волны [Bykov, 1999, 2000, 2005, 2008? Vilkovich et al., 1974? Kasahara, 1979? Gamburtsev, 1992? Sherman, Gorbunova, 2008a, 2008b? Gershenzon et al., 2009? Sherman, 2009], деформационные автоволны [Kuz'min, 2004, 2010, 2012? Kuz'min, Zhukov, 2004], волны быстрых предвестников, тектонические волны [Elsasser, 1969? Kasahara, 1985? Dubrovsky, 1985? Nikolaevsky, Ramazanov, 1986? Malamud, Nikolaevsky, 1989? Nikolaevsky, 1986, 1991, 1996, 2008]. Проблема воздействия деформационных волн как триггерных механизмов сейсмического процесса в короткопериодные интервалы времени весьма актуальна в современной геодинамике и сейсмологии.
1. Деформационные волны в литосфере Земли: краткий обзор
Пожалуй, впервые использовал понятие «волны тектонических напряжений» В.Эльзассер [Elsasser, 1969] для объяснения механизма передачи тектонических напряжений вдоль литосферной плиты. В сейсмологии значительное внимание к волновым процессам привлекли работы К. Касахара [Kasahara, 1979, 1985]. В них, на основе геодезических съёмок разных лет, были проанализированы данные о скоростях и направлениях миграции землетрясений для некоторых регионов мира. Так, для землетрясения 1969 г. в районе Тохоку (Япония) были зафиксированы сдвиговые деформации на пяти станциях, три из которых указывали на наличие миграции сдвиговых деформаций в северо-западном направлении со скоростью 40км/год. Две другие станции, удаленные от первых трех примерно на 200 км и еще дальше удаленные от эпицентра, показали наличие миграции сдвиговых деформаций в западном направлении со скоростью около 19 км/год, что позволяет сделать вывод о дисперсии и диссипации миграции с расстоянием от источника её генерации [Kasahara, 1985, p. 207-208]. Сопоставляя миграции сейсмических событий в Японии (1950-1970 гг.) на восточном побережье Тихого океана с востока на запад и сейсмические события в Западных Кордильерах (Перу, 1966-1970 гг.) обосновано можно предположить, что существует «общая тенденция миграции по направлению от океана к суше» [Kasahara, 1985, p. 208]. Векторные скорости совпали с направлением субдуктируемой океанической литосферной плиты на северо-запад в первом случае, и на север северо-восток - во втором, что впоследствии дало основание рассматривать генезис распространения волны деформаций как результат миграции волн тектонических напряжений. Синонимом волн тектонических напряжений часто используется название тектонические волны, вызываемые подлитосферными мантийными движениями.
Тектонические волны, волны тектонических напряжений, и их согласование с сейсмическим процессом наиболее глубоко с разных исходных позиций исследовали В.Н. Николаевский и его коллеги. В монографии А.С.Маламуда и В.Н.Николаевского [Malamud, Nikolaevsky, 1989] изложена теория волн тектонических напряжений и их возможные источники. Убедительно показан временной ход землетрясений Среднеазиатского региона. Землетрясения классифицированы авторами на сильные и коровые события и сопоставлены со сглаженными значениями чисел Вольфа (рис. 1). Хорошо прослежено изменение глубин очагов землетрясений во времени и показано их соотношение с числами Вольфа. Получена «сглаженная в антифазах» связь между изменениями средних глубин гипоцентров и вариациями чисел Вольфа. Близкие выводы о взаимосвязи аналогичных процессов без анализа их физического механизма приводились в работе Дж. Симпсона [Simpson, 1967]. Можно утверждать о наличии связи изменения глубин очагов землетрясений во времени с вариациями солнечной активности. Это же явление зафиксировано и работами К.Г. Леви [Levi, 1991? Levi et al., 2012], но форма связи не проанализирована. К настоящему времени хорошо аргументированы вариации солнечной активности, с которыми коррелируются циклы сейсмичности 5,5; 22; 88 лет. Более того, в разных районах и объемах земной коры могут доминировать по амплитуде разные периодичности состояния среды, характерные не только для сейсмоактивных, но и асейсмичных районов [Gamburtsev, 1992? Kuz'min, 2004].
Рис. 1. Распределение гипоцентров сильных землетрясений по глубине и времени и временной ход (сглаженные кривые) общего числа глубокофокусных (Nгл) и коровых (Nкор) толчков с K?10 [Malamud, Nikolaevsky, 1989]. 1 - глубокофокусные гиндукушские землетрясения с K = 12-17 (М=4.5-7.5); 2 - коровые землетрясения Среднеазиатского региона (М=6.0-6.5); М>6.5); 3 - асейсмичная зона. Y?в - сглаженные значения чисел Вольфа (солнечная активность).
При более детальных исследованиях, проведенных различными методами, аргументировано наличие временных циклов у различных общепланетарных процессов на земном шаре и оценили их характерные периоды. Так, сейсмоактивность Памиро-Гиндукуша охарактеризована периодами сейсмической активизации в 2-4, 5-7 и 10-12 лет [Malamud, Nikolaevsky, 1989]. По мнению авторов «существуют глобальные тектонические волны догрузки, играющие роль триггера землетрясений в местах высокой интенсивности стационарных тектонических полей и проявляющиеся в иных геофизических процессах в других регионах» [Malamud, Nikolaevsky, 1989, р. 105].
В локальных разрывных структурах также фиксируется периодичность сейсмических процессов. Особенно чётко она проявляется в зонах разломов. В них периодичность может быть связана как с солитонами (solitary wave), структурно-устойчивыми и распространяющимися в нелинейной среде уединёнными волнами, так и с системами периодических волн. На солитоны, как вероятные возбудители землетрясений, зафиксированных во временном и последовательном в пространстве проявлении, обратил внимание В.И.Уломов [Ulomov, 1993] по материалам Средней Азии, а несколько раннее П. Лунд [Lund, 1983] при обработке данных сильнейшего Чилийского землетрясения 1960 г. Стало совершенно ясно, что все сильнейшие землетрясения мира связаны со смещениями, стимулированными волновыми процессами по крупным разрывам.
Замеченные факты активизировали целенаправленные экспериментальные лабораторные исследования по физике деформирования и разрушения различных материалов [Sherman et al., 1983? Sobolev, 2003? Sobolev et al., 1991? Sobolev, Ponomarev, 2003? Bornyakov, 2010? Bornyakov et al., 2012? Ohnaka et al., 1997? Shibazaki, Matsuura, 1998? Ma et al., 2012], по влиянию трения на процесс скольжения [Kato et al., 1992], в том числе при его снижении за счет смазки [Chester, 1995]. Были обнаружены вариации в процессе деструкции, в частности, неустойчивое скольжение при трении, по скоростям которого оказалось возможным классифицировать даже кратковременные интервалы стадийности процесса разрушения материала: (1) начало разрушения, (2) скольжение со скоростью около 1 см/с и длительностью 0.14-1.4 с при скорости деформирования 10-5-10-6 с-1 ; (3) максимальная стадия разрушения, скольжение со скоростью 10-102 м/с (!) в течение 10-3-10-2 с и (4) подвижка, основная стадия скольжения, которая происходит со скоростью около 2-3 км/с и длится около 10-4с [Goldin, 2002, 2004? Sobolev et al., 1991? Shibazaki, Matsuura, 1998]. Стадия собственно подвижки, stick-slip, соответствующая сейсмическому событию, занимает исключительно короткое время, мгновение даже в его реальном временном исчислении. Во временном мгновении длительности подвижки stick-slip установлены изменения даже температурного параметра [Ma et al., 2012].
В работах по физическому моделированию, выполняемых в настоящее время, важно обратить внимание на оригинальные экспериментальные исследования развития температурной области в зоне изгиба разлома во время состояния неустойчивости типа stick-slip [Ma et al., 2012]. Перед экспериментами ставилась задача исследовать идентификации неустойчивого метастабильного напряженного состояния, его механизма и развития связанных с ним изменений физических полей перед возникновением землетрясения, в моменты критических времен разрушения среды, и прежде всего, при стадии stick-slip. Параметром, предваряющим stick-slip, была избрана вариация температуры на плоскости скольжения как физического критерия, предваряющего stick-slip на сгибающейся части разлома. Установлено, что во время нагрузки и возникновения stick-slip на изгибе разлома есть два первичных механизма температурного повышения. Первый ? температурное увеличение, вызванное напряжением, второй - температурное увеличение, вызванное трением вдоль плоскости смещения по разрыву. Установлены температурные изменения на различных стадиях деформации, предваряющих stick-slip (рис. 2). Они отражают метастабильное состояние разрыва при нагрузке - процессе, который в условиях независимых состояний и движений индивидуальных сегментов (крыльев) разлома, становится синергетическим. Совместные действия различных блоков (крыльев) разлома - индикатор ускоренной разрядки регионального суммарного напряжения. Изменения физических полей, в частности, температуры, перед нарушением устойчивости, перед stick-slip, не могут быть обнаружены во всех структурных позициях. Установлено, что при нагружении модели возникает стадия, когда кривая напряжения отклоняется от линейности при равномерной нагрузке (рис. 3, а). Одновременно фиксируется нелинейное температурное изменение, вызванное напряжением. Температура в сжимающихся областях возрастает по сравнению с температурой в областях растяжения, и наоборот, вдоль разлома она изменяется в сторону повышения и снижения, «туда и сюда». Отклонение кривой «напряжение-время» от линейности означает начало стадии реализации напряжений. Во время этой стадии транзитно происходит смена наряженного состояния: накопление напряжений сменяется их реализацией, разрядкой, но она не доминирует (рис. 3, а). После пика нагрузки температура продолжает увеличиваться в соответствии с повышением напряжений очень небольшими значениями. Более того, с приближением к нестабильности становятся все меньшими колебания нагрузки, хотя вызываемые ими смещения по разлому становятся большими. Переход от накопления напряжений к их реализации является своеобразной ступенью к переходу на ускоренную реализацию накопленных (большей части) региональных напряжений. Во время отклонения от линейности фиксируется повышение температуры. Именно оно и рассматривается как прогнозный критерий, фиксирующий начало стадии stick-slip, соответствующей в природных условиях сейсмическому событию (рис. 3, b). Установлены временные периоды стадий (%) в течение всего кратковременного процесса stick-slip: стабильной деформации - 87%, отклонения от линейности - 8,9%, неустойчивый нестабильный, состоящий из двух стадий - первая - 0,2%, неустойчивая нестабильная вторая - 0.13%, нестабильный - 0,37%, постнестабильный - 3,4%. Состояние максимальной нестабильности занимает по времени менее 1% длительности всего процесса stick-slip. Подобные прецизионные экспериментальные исследования выполнены благодаря очень хорошей аппаратурной оснащенности лаборатории тектонофизики (Institute of Geology, China Earthquake Administration).