Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы прогноза землетрясений по геофизическим данным
1.1. Цели и задачи анализа литературы 11
1.2. Геомагнитные и электромагнитные эффекты в близи эпицентральных зон землетрясений 11
1.3. Неприливные изменения ускорения силы тяжести 16
1.4. Деформационные и наклономерные наблюдения на геодинамических полигонах 18
1.5. Общие тенденции развития прогностических исследований 21
1.6. Выводы по главе 1 22
ГЛАВА 2. Геология, геоморфология и сейсмичность региона
2.1. Краткий очерк геологического строения 26
2.2. Геоморфология и современные движения 31
2.3. Сейсмичность 32
2.4. Выводы по главе 2 43
ГЛАВА 3 Результаты полигонных и стационарных , геофизических исследований в период формирования очага землетрясения
3.1. Краткая история вопроса и обоснование выбора пунктов долговременных наблюдений 46
3.2. Полигонные гравиметрические наблюдения 49
3.3. Стационарные гравиметрические наблюдения 56
3.4. Результаты полигонных магнитометрических наблюдений 58
3.5. Магнитовариационные наблюдения
3.6. Наблюдения за вариациями электромагнитного излучения 65
3.7. Наблюдения вариаций полей СДВ - радиостанций 67
3.8. Наблюдения приливных наклонов земной поверхности 69
3.9. Выводы по главе 3 71
ГЛАВА 4 Интерпретация аномальных геофизических полей в период сильного южно - якутского землетрясения
4.1. Модельные представления Южно-Якутского очага землетрясения 72
4.2. Качественный анализ поведения вариаций геофизических полей 75
4.3. Энергетический баланс предвестников землетрясений и возможности прогноза землетрясений в Южной Якутии 82
4.4. Выводы по главе 4 84
Заключение 86
Список использованной литературы
- Неприливные изменения ускорения силы тяжести
- Сейсмичность
- Стационарные гравиметрические наблюдения
- Энергетический баланс предвестников землетрясений и возможности прогноза землетрясений в Южной Якутии
Неприливные изменения ускорения силы тяжести
В работе [8] представлены результаты исследований с 1968 по 1983 годы. Показано, что наибольшая интенсивность изменений геомагнитного поля во времени наблюдается в сейсмоактивных районах и наименьшая - в слабо сейсмическом районе. Изменения геомагнитного поля во времени в основном совпадают на близко расположенных пунктах и различаются на разных участках полигона. Длиннопериодные изменения геомагнитного поля отражает блоковое строение региона, а также, возможно, сейсмотектонические процессы. В работе [41] приводится исследование аномального магнитного поля на территории Карпатского полигона. Результаты наблюдений, по мнению автора, позволяют однозначно считать, что в вариациях поля содержится информация, отражающая особенности глубинного строения и геодинамики этой территории. Высокий метрологический уровень этих исследований позволяет достаточно уверенно изучать весь спектр геомагнитных вариаций и выделять аномальные эффекты. Автор считает, что дальнейшие усилия должны быть направлены на исследование природы аномальных эффектов, для чего необходимо существенно расширить комплекс электромагнитных методов.
Многие авторы работ [1, 30 - 32, 89], проанализировав геомагнитные вариации, считают, что полученные результаты свидетельствуют о необходимости изучения физической природы, как аномалий векового хода, так и электромагнитных предвестников землетрясений. Только детальное понимание физики современных тектонических процессов позволит решать вопросы о времени, месте и магнитуде землетрясений, а также о сейсмической активности и вероятности возникновения на исследуемой территории сильных землетрясений.
Авторы [37] по наблюдениям с протонным магнитометром МПП-203 в двухминутном режиме регистрации с точностью 0,5 нТл выделили длиннопериодную вариацию длительностью несколько месяцев, связанную с подготовкой землетрясения 16 декабря 1980 г. К=13. На фоне длиннопериодных вариаций (в пункте расположения ближайшей Нурекскому водохранилищу) выделены относительно короткопериодные вариации длительностью до двух месяцев, совпадающие с периодами подготовки слабых местных землетрясений с К=9-10. Авторы утверждают, что для слабых землетрясений получены пространственно-временная и амплитудная зависимости тектономагнитного эффекта от магнитуды. В качестве классического примера приводится временной ход разности среднесуточных значений магнитного склонения на двух японских станциях, удаленных от эпицентра Ханкайского землетрясения 1946 г. на 60 и 600 км. По данным Като [90] разность вначале - перед землетрясением, примерно на 1 минуту возросла, потом резко уменьшилась на 4 минуты и, далее, в течении восьми месяцев шло восстановление до нормального уровня. Большая длительность заключительной фазы эффекта, по мнению Ногато Т.[95], противоречит пьезомагнитной модели наблюдавшейся вариации, но эффект может быть объяснен как результата движения земной коры или как проявление электрокинетических явлений, возникающих из-за диффузии грунтовых вод. Отклик геомагнитного поля на изменения сейсмической активности был обнаружен и в его вековых вариациях, обусловленных дрейфом главного магнитного поля Земли [86,100-104]. Установлено, что области с аномальным вековым ходом геомагнитного поля наблюдаются в Японии в районах повышенной сейсмической и вулканической активности.
В отличие от японских коллег, по наблюдениям в США [83,88, 89], обнаружены кратковременные изменения модуля полного вектора напряженности Т геомагнитного поля, которые авторы объясняют пьезомагнитным эффектом в горных породах.
Обнаружена и связь вертикальных движений отдельных блоков земной коры с магнитными сейсмовариациями, которая прослеживается в периоды времени, предшествующее землетрясениям в Китае [104]. Заслуживает внимания пример такой связи, представленной в работах по Крымскому полигону[31]. Изменение полной напряженности геомагнитного поля \S амплитудой 5 нТл отмечено в районе, где зафиксирован подъем земной коры.
Отмечается, что поднятие блока земной коры на несколько сантиметров при намагниченности пород, равной 5 10"4 ед. СГС, и их чувствительности к давлению 2 10" нТл/бар, может объяснить сейсмо магнитный эффект на площади радиусом в 10 км. Подобный эффект амплитудой в 10 нТл зарегистрирован в Z-компоненте суточной вариации главного поля по данным одной из четырех контрольных станций. Он длился около двух месяцев, предшествующий землетрясению. Была установлена корреляция между разностным значением магнитного поля Н и суммарной выделившейся сейсмической энергией по данным наблюдениям в течении 3 месяцев после Назарбекского землетрясения [71].
Во обзорной монографии по Сковородкина [69]представлены данные о сейсмо магнитных эффектах, обнаруженных по наблюдениям на Гармском полигоне. Сейсмо магнитные изменения разности (АН) оказались различными по амплитуде и своей длительности, но все они носили бухто образный характер (см.рис.П.1.5.). На основании расчета, выполненного в Добровольским И. П.[27, 28], амплитудные значения сейсмо магнитных вариаций оказались зависящими только от эпицентрального расстояния станции наблюдения (рис.П.1.2.), но длительность и радиус проявления эффектов (рис.ПЛ.З., П. 1.4.) объясняется автором величиной скорости спада напряжений в очаге землетрясения. В работах [10,24,27,28, 33, 54,58,67] приведены результаты расчета АН и экспериментальные значения AT по данным наблюдений. Значения AT представлены в зависимости от эпицентрального расстояния, измеряемого в единицах радиуса очага землетрясения. Следует заметить, что Нагата [95] для объяснения сейсмомагнитного эффекта привлекает иные подходы, что, скорее всего, подчеркивает необходимость учета конкретной геологической обстановки для выбора тех или иных моделей сейсмомагнитных эффектов.
Сейсмичность
Максимальная дифференцированность и расчлененность рельефа характерна для западной части района. В целом же для этой территории характерно северо — восточное простирание морфоструктур и ограничивающих их сбросовых разломов. Высоко поднятые блоки разделяются узкими грабеноподобными впадинами, в которых происходит активное накопление современных осадков. Характерной чертой этих морфологически отчетливо выраженных впадин является отсутствие в них кайназойских осадков, что собственно и подтверждает молодость их образования. Сейсмотектонический потенциал этих структур оценивается весьма высоко и сопоставим с впадинами Байкальской рифтовой системы (БРЗ), способной генерировать события интенсивностью 9 баллов. Вполне возможно, что левобережье р. Олекма является восточной границей Байкальского рифта. На самостоятельное значение сейсмотектонических процессов в Олекмо - Становой сейсмической зоне указывают несколько признаков, существенно отличающих ее от БРЗ: во-первых, БРЗ характеризуется аномальным состоянием верней мантии с низкими скоростями продольных волн, на 0,2 - 0,4 км/с меньше, чем для Сибирской платформы, во - вторых, пониженной мощностью земной коры, на 15 — 20 км.
Представления о сейсмической активности изучаемой территории, включающей Алданский щит и зону Становой складчатой области, кардинально изменились за последние 50 лет. На карте сейсмического районирования 1949 г., опубликованной Г.П. Горшковым, данная область представлялась белым пятном, то есть считалась асейсмичной. В 1958 г. западная часть рассматриваемой территории была отнесена к 7 — бальным районам, в 1966 г. В.М. Кочетковым 7 - бальной изосейстой была оконтурена вся площадь. И лишь по совокупности сейсмологических материалов, по детальной геолого — тектонической изученности района, была составлена реальная схема сейсмического районирования Южной Якутии. Район левобережья р. Олекма и западный фланг Станового хребта с блоком кряжа Зверева был отнесен к зоне возможных 9 — бальных землетрясений и в настоящее время носит название Олекминская эпицентральная зона катастрофических землетрясений [40].
Землетрясения на исследуемой территории регистрируются в настоящее время тремя системами сейсмических наблюдений: первая принадлежит Институту земной коры СО РАН (станции в поселках Чара, Средний Калар, Тупик) и расположена в Восточном Прибайкалье, вторая — Институту геологии ЯФ СО РАН ( станции в поселках Усть-Нюкжа, Тунгурча, Усть-Уркима, Чульман, Чагда) и действует в Южной Якутии, третья СахКНИИ ДВО РАН (станции в поселках Кировский, Ясный , Зея, Бомнак, Горный , Ромны, Хинганск, Экимчан, Фирсово) и функционирует в Приамурье. Аппаратурное оснащение станций типовое: маятники — СКМ-3, ВЭГИК; гальванометры ГК-УП, ГБ-Ш-IY. Увеличения приборов составляют 20-160 тыс. в интервале периодов 0,2-7-1,2 с.
Для местонахождения эпицентров землетрясений используется в основном способ засечек для прямых поперечных сейсмических волн по известной их скорости 3,6 км/с. Класс точности определения эпицентров землетрясений существенно зависит от количества пунктов наблюдений и их расположения относительно эпицентров. Поэтому точность определения параметров эпицентров до 1967 года, когда на огромной территории располагалось всего 5 станций, была невысока (классы «А» и «Б» - ошибка в определении 25 и 50 км соответственно). С улучшением системы наблюдений и ростом количества пунктов регистрации повысилась и точность нахождения координат эпицентров. Сейчас на западном фланге и центральной части Станового хребта и южнее на территории между 54-56 градусов в.д. и 120-126 градусов с.ш. эпицентры землетрясений оцениваются с классами точности «а» и «б» (ошибка 5 и 10 км). На остальной части зоны инструментальные данные имеют класс точности «А». Пространственное распределение землетрясений в Олекмо-Становой сейсмической зоне выражено в виде широкой полосы эпицентров землетрясений в пределах Станового хребта от восточных границ Байкальской рифтовой зоны к побережью Охотского моря. Распределение эпицентров землетрясений по площади неравномерно и имеет несколько сгущений, связанных с афтешоковыми полями сильных землетрясений (рис.2.3.). Самым активным на территории Южной Якутии является западный фланг Олекмо - Становой сейсмической зоны. На территории центральной части и юго-восточного фланга выделяется три крупных участка концентрации эпицентров землетрясений: в центре Алданского нагорья, около оз. Большое Токо и в среднем течении р Учур. В течение года по всей площади Олекмо - Становой сейсмической зоны происходит около 500 сейсмических событий с К 8, что отличает ее по сейсмическому режиму от БРЗ, где за год происходит около 2000 землетрясений (третий отличительный признак ОСЗ от БРЗ).
Для сильных землетрясений Южной Якутии выполнены определения механизма очагов на основе данных о знаках первых вступлений, представленных на рис.2.4. Распределение фокальных механизмов отчетливо указывает на то, что при переходе от Байкальской рифтовой зоны к Олекмо -Становой наблюдается смена поля тектонических напряжений: растягивающие напряжения в крест простирания геологических структур сменяется полем тектонических напряжений сжатия в крест структур. На это указывает фокальный механизм Южно - Якутского землетрясения и его афтершоков. Это четвертый признак отличающий БРЗ от зоны Становой складчатости.
Стационарные гравиметрические наблюдения
В районе Южной Якутии работы по поиску предвестников землетрясений начаты в 1971 г. лабораторией земной коры института Геологии ЯФ СОАН СССР. В 1979 г. они были продолжены Проблемной научно -исследовательской лаборатории Якутского госуниверситета (ПНИЛЗ ЯГУ).
В 1971 — 75 гг. был заложен Южно — Якутский прогностический полигон «Золотинка» и проведены первые режимные исследования магнитного и гравитационного полей. В 1975 — 78 гг. начаты экспериментальные исследования в Олекминской эпицентральной зоне катастрофических землетрясений. Работы в этот период носили сезонный характер. Тем не менее были получены результаты по непериодическому изменению силы тяжести амплитудой 0,3 мГал.
В 1979 г. в п. Золотинка была организована стационарная геофизическая обсерватория и начаты круглогодичные геофизические наблюдения за поведением силы тяжести и геомагнитного поля. С 1980 по 1989 гг. был накоплен большой объем материала по полигонным дискретным и по непрерывным стационарным наблюдениям непериодических изменений геофизических параметров. За этот период была разработана система высокоточных гравиметрических наблюдений, отработана методика обработки данных и техника наблюдений в суровых климатических условий Южной Якутии. Полигонные наблюдения входят в качестве составной части в программу научно - исследовательских работ по изучению вариации геофизических полей с целью поиска предвестников землетрясений. Реальность существования непериодических изменений Ag и AT в настоящее время не вызывает сомнений , т. к. вариации обеспечены качеством проведенных полевых работ. К началу режимных исследований в лаборатории были проработаны вопросы как в теоретического, так прикладного плана. Однако, несмотря на то, что к 1980 году лаборатория была оснащена первоклассной аппаратурой и укомплектована операторским составом, прошедшим соответствующую подготовку на полигоне ВНИИ геофизики и ИФЗ, в первые месяцы работ 1980 г добиться приемлемой точности измерений не удалось. Потребовались специальные исследования, для того чтобы существующую технику наблюдений применить к конкретным климатическим условиям.
Осмысливание результатов исследований приборов, совершенствование методики и техники наблюдений производилось параллельно с непрерывными измерениями на полигоне. В результате такой постановки эксперимента были решены по существу две задачи: во-первых, создана методика высокоточных гравиметрических и магнитометрических наблюдений вчусловиях низких с температур, во-вторых, получен непрерьшный рад вариаций Ag и AT за пятилетний период. Основные исследования вариаций геофизических полей проводились на Южно - Якутском прогностическом полигоне, включающем в себя: геодинамический профиль протяженностью 120 км и стационарный геофизический комплекс «Золотинка» (см. рис.2.2.). Размеры полигона выбраны таким образом, чтобы максимально охватить активный Становой шов. При этом исходили из того, что наблюдения должны проводиться как в сейсмоактивной зоне, так и на его периферии. Пункты наблюдений за изменением силы тяжести (ДТП) и изменением магнитного поля (ДМП) расположены на одних блоках и в структурном плане заложены в следующих местах: Аг Пункты 1,3 расположены в зоне влияния Пристановых активизированных разломов второго ранга, разделены серией разломов субширотного простирания, приуроченных к р. Тимптон. В геофизических полях пункты находятся на региональном минимуме второго порядка.
Пукт 4 заложен в пограничной зоне структурного разлома 2 ранга, разделяющего свиты верхнего и нижнего архея. В геофизических полях отражается небольшими градиентами (Ag 2 мГал/км, AT 200 нТл/км)
Пункт 5 отделен от других пунктов серией разломов третьего ранга диагонального простирания от р. Холодникан до р. Иенгра. В магнитном поле микроструктура блока прослеживается грядой интенсивных максимумов.
Пункт 6 заложен в непосредственной зоне дробления, приуроченной к Иенгрскому разлому второго ранга, который по генетическому типу относится к Пристановым разломам. Разлом картируется интенсивными магнитными аномалиями (до 1000 нТл).
Пункты 7,8,9 расположены на отдельном блоке южнее зоны трещиноватости, тяготеющей к Беркакитскому разлому второго ранга диагонального простирания. На этом же блоке расположена стационарная геофизическая станция.
Пункты 10,11 находятся в зоне сочленения активизированных разломов меридионального и диагонального заложения, с многочисленными разломами более высокого ранга субширотного простирания.
Таким образом, Южно - Якутский геодинамический полигон с пунктами наблюдений расчленяется (пересекается) несколькими структурными разломами различного генетического типа. Это давало основания полагать, что интенсивность и форма вариаций геофизических полей на отдельных блоках будет различна и такова, что может быть зарегистрирована современной аппаратурой.
Энергетический баланс предвестников землетрясений и возможности прогноза землетрясений в Южной Якутии
Для прогнозирования степени сейсмической опасности катастрофических землетрясений представляет несомненный интерес не только результаты инструментальных наблюдений, но и оценка потенциально возможной энергии землетрясения для данной области, его магнитуды и интенсивности, а также, радиуса действия (влияния) землетрясения на геофизические параметры.
К настоящему времени существует несколько способов проведения таких оценок: по изостатическим аномалиям силы тяжести [77], по величине сейсмических пятен и закону повторяемости землетрясений [65]. В основе современных теоретических моделей подготовки землетрясения лежат представления о землетрясении, как о заключительной стадии длительного процесса разгрузки среды. Наиболее разработанными моделями, допускающими бухтообразное изменение геофизических полей является модель лавино - неустойчивого трещинообразования (ЛНТ), дилатантно-диффузионная (ДД) и консолидационная модели (см. рис.П.1.9.). По характеру изменения наклонов в период Южно - Якутского землетрясения можно заключить, что сейсмический процесс развивался по промежуточной модели, очень близкой к модели внутреннего разрушения, однако допускающей миграцию флюидов как в области подготовки очага землетрясения (ослабленной зоны), так и за его пределами. Миграция флюидов, как общего возмущающего фактора, приведет к изменению физических свойств горных пород: плотности, электропроводности, магнитной восприимчивости. Это создаст необходимые условия для появления геофизических предвестников землетрясений. Достаточность этих условий будет следовать из количественных оценок возможностей модельного фактора, влиять на формирование аномальных полей, при этом, расчетную модель будем соотносить с параметрами Тас - Юряхского землетрясения, одного из крупнейших сейсмических событий в Сибири (М=7, К=17, J =9), произошедших на территории Южной Якутии.
Критическая деформация, при которой происходит разрушение пород, равна Єо =10"4. Деформация на границе очага землетрясения не может превышать эту величину. Фактически, возмущения в процессе деформации составляют часть этой величины, и на практике считается Єо=10 5-10"4. В упругом полупространстве возмущение деформации E(R) изменяется в дальней зоне по закону: s(R) « E0(Ro/R)3, (1) где Ro- средний размер источника, R - расстояние от центра неоднородности (очага) до пункта наблюдения;
Используя параметры Южно-Якутского землетрясения (M,h) из работы [39] М=6,5, h=33 км; параметры переходной зоны от Алданского щита к зоне Становика, горизонтальные размеры которой возьмем по внутренней области максимальных градиентов количества землетрясений (см. гл.2.) AxL=(25-r40)x350 км , а также, макросейсмические параметры для Южной Якутии, которые составляют следующие величины [38]: скорость поперечных волн - 3.6 км/с, скорость продольных волн — 6.3 км/с, плотность - 2.75 г/см3, уравнение макросейсмического поля J = 1.5М — 4.5 lgA + 5.1, где А - эпицентральное расстояние, рассчитывая модуль упругости среды по уравнению Ky=pVs2(Vp2/Vs2-4/3), (2) оценим полную энергию, занесенную в объеме неоднородности [77] Е=1/2КУ e(R)2 V, V= S H, H « 60 км. (3) где E(R) ИЗ формулы (1). Подставляя в (3) численные значения величин Ку, e(R) и V, получим: Е= У2 5 1010 60 32 350 (10 5+10-4)2 = 1017 2 1017 Дж. Магнитуду оценим по формуле Гутенберга - Рихтера Мт= (К-4,8)/1,5 = 7ч-8,1, верхняя граница которой на единицу выше магнитуды Тас-Юряхского землетрясения. Эта же величина магнитуды получается из уравнения, связывающего эпицентральное расстояние, магнитуду и деформацию в пункте наблюдений R=(100.43M-2.73)/8l/3 (4) при R = 300 км и e(R) = 6 10"6 , что допустимо при наблюдениях вдоль структуры, в данном случае Южно - Якутского разлома. Численно значение магнитуды, рассчитанное по формуле (4) будет равно M=(lg(R E1/3)+2,73) / 0,43 «8,1. Для землетрясения с такой магнитудой радиус зоны проявления предвестников будет равен R = K Ro , где RO=100 3M" 8=204-44KM, а из уравнения (1) (R/Ro)3 = e(Ro)/ e(R) « 102, откуда К = 5 (5) Полученная величина радиуса проявления предвестников R=5 Ro =100 -7-220 км имеет тот же порядок, что и размеры переходной зоны или базы, на которую разнесены геофизические обсерватории. Максимальная сотрясаемость (интенсивность) в эпицентре, рассчитанная по уравнению микросейсмического поля [38] I = b M - D lgh+e, получается равной:
