Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Геолого-тектоническое строение и особенности сейсмичности северного тянь-шаня 11
1.1. Геолого-тектоническое строение 12
1.2. Современная блоковая структура Северного Тянь-Шаня 21
1.3. Особенности сейсмичности Северного Тянь-Шаня 26
1.4. Выводы 34
ГЛАВА 2. Обзор существующих представлений о механизмах очагов землетрясений, способы их тектонофизической интерпретации и определения в условиях сети knet 35
2.1. Обзор существующих моделей возникновения землетрясений 35
2.2. Современные представления о физической природе землетрясений и движений в очагах 46
2.3. Киргизская цифровая сейсмологическая сеть KNET 57
2.4. Методические вопросы расчета фокальных механизмов очагов, основные результаты, составление каталога 63
2.4.1. Графическое представление фокального механизма и используемая система параметров 63
2.4.2. Определение механизма очага землетрясения по информации о полярности вступлений объемных сейсмических волн 70
2.4.3. Методика определения фокальных механизмов применительно к условиям сети KNET 75
2.5. Некоторые исследования фокальных механизмов очагов сформированного каталога 85
2.6. Выводы 98
ГЛАВА 3. Сейсмотектоническая деформация северного тянь-шаня и сопредельных территорий 99
3.1. Методические особенности анализа сейсмотектонических деформаций 99
3.1.1. Основные определения 99
3.1.2. Статистические аспекты анализа расчетов СТД 104
3.1.3. Об инвариантах напряженного и деформированного состояния в математических моделях сплошной среды 107
3.1.4. Выбор весовой функции в процедуре усреднения 110
3.1.5. Параметризация тензоров сейсмотектонических деформаций, сейсмического момента и напряжений 117
3.2. Алгоритмы и программы обработки. Расчет СТД 121
3.2.1. Разбиение территории на элементарные ячейки и расчет СТД 121
3.2.2. Расчет среднего механизма 122
3.2.3. Расчет направленности и вида сейсмотектонической деформации 124
3.2.4. Картирование сейсмотектонической деформации с использованием цифровой модели данных по высотам рельефа 126
3.3. Некоторые результаты расчетов СТД 128
3.3.1. Устойчивость полученных результатов 128
3.3.2. Карты СТД для различных глубин 131
3.3.3. Вертикальная компонента и коэффициент Лоде-Надаи 131
3.4. Выводы 134
ГЛАВА 4. Тектонофизическая интерпретация результатов расчетов 136
4.1. Оценка величины среднегодовой скорости сейсмотектонической деформации 136
4.2. СТД и другие методы исследования структуры Земной коры и ее деформаций 139
4.2.1. Связь современного структурного плана с рельефом поверхности Мохоровичича 139
4.2.2. Сейсмотомографические исследования и СТД 142
4.2.3. Сравнение полученных результатов с данными GPS 144
4.3. Выводы 149
Заключение 150
Приложения 152
Список литературы
- Современная блоковая структура Северного Тянь-Шаня
- Современные представления о физической природе землетрясений и движений в очагах
- Об инвариантах напряженного и деформированного состояния в математических моделях сплошной среды
- СТД и другие методы исследования структуры Земной коры и ее деформаций
Введение к работе
Актуальность темы
Современный уровень исследований деформационных процессов в тектоносфере Земли невозможен без информации о действующих в ней полях тектонических напряжений. Именно данные о полях напряжений и деформаций, совместно со сведениями о неотектонических и современных движениях, о геологическом, структурно-тектоническом строении, а также данными о действующих в литосфере физических полях (тепловой поток, гравитационные аномалии, скорости сейсмических волн и др.), позволяют корректно решать одну из обратных задач геофизики - задачу создания моделей деформационных процессов крупных тектонических структур земной коры. Одновременно с этой фундаментальной проблемой геофизики данные о полях тектонических напряжений играют первостепенную роль и в решении ряда прикладных задач. Так, сегодня уже очевидно, что работы по проблеме долговременного прогноза землетрясений, так же как и задача сейсмического районирования, должны базироваться на информации о действующих в земной коре полях современных напряжений, отслеживании изменений параметров тензора напряжений.
Актуальность задачи изучения напряженно- деформированного состояния земной коры и литосферы в целом подкрепляется необходимостью решения практических задач по оценке сейсмической опасности мест проектируемого строительства гидротехнических, промышленных и гражданских сооружений, исключительных по своей масштабности и народнохозяйственному значению, задачами разработки и эксплуатации крупных месторождений твердых полезных ископаемых, нефти и газа. Помимо чисто прикладного интереса эти исследования имеют большое научное значение для теории эволюции Земли и геотектоники, развития представлений о природе и причинах сейсмичности. Первостепенное значение имеет развитие этих исследований в горных областях Тянь-Шаня, характеризующихся, с одной стороны, высоким уровнем сейсмичности и высокой для горной местности плотностью населения и промышленных объектов с другой.
Представления о природе действующих в недрах Земли сил получили развитие во многих разделах наук о Земле. Однако не будет преувеличением отметить, что данные по механизму очагов землетрясений поставляют едва ли не основную часть информации о напряженном состоянии земных недр. Длительное время проблема изучения тектонических напряжений в сейсмологии ошибочно считалась тождественной задаче определения механизма очага землетрясения как такового. Развитие представлений о фундаментальной
роли неоднородности и гетерогенности геологической среды, ее иерархически - блочном строении и флуктуациях параметров состояния, связанных с проявлением эффектов самоорганизованной критичности, указало на важность усреднения параметров очагов. Фактически эта задача решается при переходе от вычисления отдельных фокальных механизмов к расчету сейсмотектонических деформаций (СТД) по определенной выборке сейсмических событий [1]. В настоящее время накопление данных о механизмах землетрясений обеспечивает возможность все более подробного описания сейсмотектонического процесса в терминах СТД.
В последние годы данные о механизмах очагов землетрясений стали использовать для изучения сейсмотектонической деформации земной коры и верхней мантии различных регионов, в частности, этим вопросам посвящены работы ряда авторов [2-10]. Расчеты сейсмотектонических деформаций проведены на Кавказе, в Байкальской рифтовой зоне, в Курило-Камчатском регионе, на юге Средней Азии [4-9]. В результате исследован характер сейсмотектонического деформирования обширных районов, осуществлено сопоставление режима СТД сейсмически активных территорий с особенностями тектонической жизни тех или иных их структур, проведено картирование всех компонент тензора скорости деформаций и коэффициента Лоде-Надаи. Отличительной особенностью этих работ, в большинстве случаев, является использование достаточно сильных землетрясений для расчета сейсмотектонических деформаций. Исследованию деформационных процессов земной коры Тянь-Шаня на основе механизмов очагов посвящены работы [11-18]. В этих работах результаты получены на основе изучения либо сильных землетрясений, либо незначительного количества землетрясений средней силы, описан тип деформации, построены карты компонент тензора деформации, выявлены области и блоки с однородным видом деформирования. Однако картирование компонент тензора скорости деформации не позволяет представить результаты в целом, и требуется их одновременное рассмотрение, что обычно не вполне удобно для использования специалистами других областей - геодезии, геофизики и геологии.
Несмотря на то, что этой проблеме посвящено исключительно большое число работ, содержащих наряду с описанием методик исследований и полученных результатов, как правило, и данные по механизму очагов, до последнего времени в сейсмологии не удавалось в рамках единого подхода дать количественное описание всех основных стадий исследования. Принципиальным моментом здесь является необходимость применения статистических методов анализа совокупностей механизмов очагов землетрясений в противовес тектонофизической интерпретации механизма очагов только одиночных, пусть
даже и достаточно сильных сейсмических событий. Анализ сейсмотектонических деформаций, опирающийся, прежде всего, на большую статистику механизмов очагов слабых и средних по силе землетрясений до последнего времени рядом сейсмологов признавался главным образом в качестве метода детального исследования напряженно-деформированного состояния отдельных сейсмоактивных районов, где создана густая сеть сейсмостанций. Для подобного исследования более обширных регионов эффективным считался подход, связанный с традиционным изучением сильнейших землетрясений. Развитие представлений о самоподобии свойств геофизической среды (Садовский М.А., Го льдин СВ.) на разных масштабах (применительно к сейсмологии увеличение характерной шкалы размеров и времени соответствует переходу к случаю более сильных, но происходящих реже землетрясений, с большим объемом очага) ставит под сомнение эту методическую разделенность. Действительно, наличие подобия движений в совокупности очагов сильных землетрясений с одной стороны, и во множестве слабых сейсмических событий с другой, будет означать, что характер движений в очагах сильных землетрясений чрезвычайно разнообразен и требует для своего анализа статистического подхода - точно так же, как это имеет место в случае анализа механизмов очагов слабых землетрясений. Как известно, многочисленные исследования подвижек в очагах сейсмических событий свидетельствуют о многообразии сейсмотектонических движений в пределах однородных геотектонических структур. Поскольку для механизма очагов сильных землетрясений в большинстве сейсмических поясов земного шара также отмечается значительное разнообразие типов сейсмических подвижек, накладывающихся на некоторую общую для того или иного региона закономерность, постольку можно считать подобными проявления сейсмотектонического процесса. Требуется, тем не менее, непосредственная проверка гипотезы о подобии подвижек на реальных определениях механизма очагов землетрясений в широком диапазоне энергий. Такого рода проверка проведена в ряде работ [19-21] и, как известно, найдено подтверждение наличия подобия. Эти соображения обосновывают настоятельную необходимость использования статистического подхода к задаче выявления общих закономерностей в развитии тектонического процесса. Выявление таких общих закономерностей лежит, как нам представляется, на пути получения и анализа больших объемов данных по механизму очагов землетрясений во всем доступном диапазоне. Реализация такого пути возможна уже на тех временных интервалах, где, иначе, для осуществления статистического подхода еще недостаточно наблюдений более редких сильных сейсмических событий. Здесь представления о подобии движений в очагах
Построены площадные распределения значений коэффициентов Лоде-Надаи и вертикальной компоненты СТД. Оценена абсолютная величина среднегодовой скорости СТД на исследуемой территории.
Положения, выносимые на защиту
Сформирован представительный каталог фокальных механизмов по данным сети KNET, пригодный для статистических расчетов СТД земной коры Северного Тянь-Шаня.
Преобладающим направлением для азимутов осей сжатия фокальных механизмов является северо-северо-западное направление, а для осей растяжения - восточно-северовосточное, причем для осей сжатия с глубиной это направление меняется от северо-северо-западного к северному.
Большая часть исследуемой территории подвержена сжатию, сдвиги отмечены в районе Суусамырской впадины. Получены значения параметров Лоде-Надаи, определенные для средневзвешенных тензоров СТД.
Для исследуемой территории характерны два типа режимов сейсмотектонической деформации: для западной части - сдвиговый, для восточной - переходный режим от сдвига к сжатию (транспрессия), при этом оси сжатия имеют северо-северо-западную ориентацию, а оси растяжения - восточно-северо-восточную.
Для исследуемой территории среднегодовая скорость сейсмотектонической деформации имеет порядок 10" год'1, что в 2-5 раз меньше скорости среднегодовой деформации, рассчитанной по данныым GPS .
Разработаны программы и скрипты для автоматизации процессов вычисления фокальных механизмов очагов, анализа полученных решений, расчета региональной весовой функции и картирования результатов СТД.
Практическая значимость
Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанную методику
определения сейсмотектонических деформаций на базе данных сети KNET для
мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры Северного Тянь-Шаня. Методика расчета СТД, позволяющая обходиться сравнительно небольшим числом станций, и допускающая после отладки высокую степень автоматизации, может быть использована и в других сейсмически опасных регионах.
Построены площадные распределения значений коэффициентов Лоде-Надаи и вертикальной компоненты СТД. Оценена абсолютная величина среднегодовой скорости СТД на исследуемой территории.
Положения, выносимые на защиту
Сформирован представительный каталог фокальных механизмов по данным сети KNET, пригодный для статистических расчетов СТД земной коры Северного Тянь-Шаня.
Преобладающим направлением для азимутов осей сжатия фокальных механизмов является северо-северо-западное направление, а для осей растяжения - восточно-северовосточное, причем для осей сжатия с глубиной это направление меняется от северо-северо-западного к северному.
Большая часть исследуемой территории подвержена сжатию, сдвиги отмечены в районе Суусамырской впадины. Получены значения параметров Лоде-Надаи, определенные для средневзвешенных тензоров СТД.
Для исследуемой территории характерны два типа режимов сейсмотектонической деформации: для западной части - сдвиговый, для восточной - переходный режим от сдвига к сжатию (транспрессия), при этом оси сжатия имеют северо-северо-западную ориентацию, а оси растяжения - восточно-северо-восточную.
Для исследуемой территории среднегодовая скорость сейсмотектонической деформации имеет порядок 10" год'1, что в 2-5 раз меньше скорости среднегодовой деформации, рассчитанной по данныым GPS .
Разработаны программы и скрипты для автоматизации процессов вычисления фокальных механизмов очагов, анализа полученных решений, расчета региональной весовой функции и картирования результатов СТД.
Практическая значимость
Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанную методику
определения сейсмотектонических деформаций на базе данных сети KNET для
мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры Северного Тянь-Шаня. Методика расчета СТД, позволяющая обходиться сравнительно небольшим числом станций, и допускающая после отладки высокую степень автоматизации, может быть использована и в других сейсмически опасных регионах.
Рассчитанный каталог фокальных механизмов, а также компоненты направляющего тензора, значения коэффициента Лоде-Надаи, среднегодовая скорость сейсмотектонической деформации могут быть добавлены в региональный сейсмологический архив данных и использованы для прикладных исследований, в том числе для уточнения сейсмического районирования и задач инженерной сейсмологии.
Апробация работы
Результаты исследований были представлены на ряде международных и всероссийских конференциях и совещаниях, в том числе: на втором Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов», Бишкек 2002г.; на Международной конференции «Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия», Новосибирск, 2003г.; на пятом Казахстанско-Китайском симпозиуме «Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии», Алматы, 2003г.; на Международной конференции Киргизско-Российского Славянского университета «Образовательные процессы в конце 20 -начале 21 века», Киргизско-Российский Славянский университет, Бишкек, 2003г.; на Международной конференции «Электроника и компьютерные науки в Киргизстане», Бишкек, 2004г.; на Казахстанско-Российском симпозиуме «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска», Алматы, 2004г.
Основные результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в 9 публикациях.
Личный вклад автора
Обработка данных и анализ результатов. Все расчеты по определению характеристик фокальных механизмов очагов, сейсмотектонических деформаций и построение различных карт выполнены автором лично. Продемонстрирована возможность определения параметров фокальных механизмов на основе данных меньшего, чем традиционно считалось, числа сейсмостанций (за счет лучшего качества данных и компактного расположения станций сети).
Алгоритмы и программное обеспечение. Программы по выборке сейсмических событий по территории и количеству зарегистрированных фаз, программные скрипты, позволяющие выполнять расчет фокальных механизмов, получать графические решения и создавать каталог фокальных механизмов в пакетном режиме, программы по расчету
характеристик распределения азимутов и углов погружения главных осей напряжений и программа, позволяющие рассчитывать региональную весовую функцию выполнены автором.
В методическом плане диссертантом лично рассчитана и предложена региональная линейная весовая функция для расчета весового коэффициента при вычислении матрицы среднего механизма для территории Северного Тянь-Шаня. Рассчитана среднегодовая скорость СТД.
Структура работы
В диссертации представлены в обобщенном виде результаты исследовательской работы лаборатории комплексных исследований динамических процессов в геофизических полях (ЛКИ), Научной станции Объединенного института высоких температур РАН в период с 2001 года по 2003 год, ответственным исполнителем которой является автор данной работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы. Она содержит 176 страниц машинописного текста, включая 67 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 232 библиографических наименования.
Современная блоковая структура Северного Тянь-Шаня
Как известно, среди основных факторов, определяющих закономерности развития сейсмического процесса в различных регионах, особое значение имеет динамика блоковых структур. В связи с этим интересно рассмотреть блоковое строение Северного Тянь-Шаня -области, в которой расположена сеть KNET.
По Абдрахматову К.Е.[34], новейшая структура Северного Тянь-Шаня представляет собой иерархически построенную "мозаику" блоков, подвергающуюся тектоническим напряжениям и находящуюся в условиях конвергентного взаимодействия Казахской стабильной платформы и Тянь-Шаньского орогена (рис. 1.4).
Как известно [35], перераспределение современных тектонических напряжений и перестройка уже сформированных связей в существующей блоковой структуре, основной рисунок которой является результатом действия новейших движений, может приводить к появлению новых блоковых "ансамблей", развивающихся унаследовано, их консолидации и последующему разрушению, сопровождающемуся землетрясениями. Поэтому, представляется целесообразным выделять блоки, активные на современном этапе развития земной коры и ограниченные так называемыми активными разломами (с доказанными голоценовыми перемещениями), поскольку именно они ответственны за современное поле напряжений и его разрядку в виде землетрясений.
Раздробленная структура региона, отчетливо выраженная в перекрестно-решетчатом характере системы разломов (рис. 1.5а), в позднечетвертичное время была "сконсолидирована" в несколько основных блоков: Киргизский, Иссык-Кульский, Заилийский, Чу-Кендыктасский и Кунгей-Чарынский (рис 1.5 б).
Имеющиеся на сегодняшний день геологические данные о скорости позднечетвертичных движений в зонах активных разломов и данные по скорости современных движений, полученных с помощью Глобальной Позиционной Системы (GPS), позволяют выявить граничные условия выделенных блоков.
Киргизский блок ограничен с севера активными надвигами зоны сочленения одноименного хребта и Чуйской впадины. Скорость позднеплейстоценового сокращения земной коры в зоне Иссык-Атинского разлома, ограничивающего с севера низкие предгорья Киргизского хребта, составляет от 0,9 ±0,3 мм/год (долина р. Сокулук) до (2,1-1,7) ±0,3 мм/год (долина р. Аламедин) [36,37]. Активность северной границы подчеркивается возникновением здесь очагов Баласагунского, Меркенского, Беловодского (1770 года), Беловодского (1885 года), Кемино-Чуйского землетрясений (см. таблицу 1). С юга указанный блок ограничивается активными надвигами южного борта Кочкорской впадины, которые к западу переходят в активное северное ограничение Джумгальской впадины, где развиты надвиги с левосдвиговой компонентой. Скорость позднеплейстоценового сокращения коры в зоне Акчопского надвига (долина р. Джуанарык) составляет (2,9-1,6) ±0,7 мм/год [37]. Сильных землетрясений с магнитудой более 4 в этой зоне не зарегистрировано.
Монолитность Киргизского блока нарушается внедрением с запада в его тело активных разломов Суусамырской зоны, представляющих собой взбросы с правосдвиговой компонентой. Активность этой зоны подчеркивается возникновением здесь в 1992 году Суусамырского землетрясения с М=7,3 [38] (см. таблицу 1).
Иссык-Кулъский блок с севера ограничивается активной Кемино-Чиликской левосдвиговой транспрессионной зоной, которая унаследовано развивалась с палеозоя. К востоку от 77 меридиана граница блока представлена активными разрывами Аксуйского грабена и надвигами Тасминского внутривпадинного поднятия. Согласно предварительным данным, скорость левосторонних смещений в позднем плейстоцене-голоцене вдоль указанной активной зоны могла достигать до 1-2 мм/год. В пределах этой зоны возникли очаги таких землетрясений как Кеминское, Джаланаш-Тюпское, Байсоорунское (см. таблицу 1) и произошло несколько более слабых событий.
б. Активные блоки Северного Тянь-Шаня и предполагаемое направление современного перемещения масс. 1 - область наибольшего поперечного сжатия, 2 -движение отдельных блоков, 3 - активные сдвиги, 4 - активные взбросы и надвиги, 5 -номера блоков (1 - Киргизский блок, 2 - Иссык-Кульский блок, 3 - Чу-Кендиктасский блок, 4 - Заилийский блок, 5 - Кунгей-Чарынский блок).
Южная граница рассматриваемого блока представлена активными разрывами юго-западного угла Иссык-Кульской впадины, которые к востоку посредством Тамгинского левого сдвига подставляются обратными взбросами восточного окончания впадины [39]. Активность южной границы блока подтверждается очагами Сарыкамышского землетрясения и нескольких землетрясений сМ = 4-5.
Взгляды на внутреннюю структуру Иссык-Кульского блока противоречивы. Согласно одним оценкам [40], под акваторией одноименного озера выявляется трапециевидный в плане грабен, ограниченный активными сбросами с амплитудой голоценовых смещений до 200м. Другие исследователи [41] считают, что на дне озера имеются свидетельства лишь нескольких разобщенных активных разрывов. Уступы, выявленные на сейсмопрофилях, по их мнению, представляют собой откосы древних конусов выноса, модифицированных береговой абразией.
Очагов сильных или хотя бы умеренных землетрясений в пределах акватории озера не зарегистрировано.
Заилийский блок характеризуется северо-восточным простиранием, с юга ограничивается указанной выше Чилико-Кеминской активной зоной, а с севера -прерывистой зоной активных разломов неясной кинематики. Согласно одним данным, эти разломы представляют собой сбросы [41,42], другие исследователи считают эти разломы надвигами и взбросами [42,43]. Характерно, что при сильнейшем Верненском землетрясении 1887 года, которое тяготело к сочленению хребта и впадины, сейсмотектонических дислокаций в этой зоне не возникало [44,45]. Согласно данным [43], скорость позднечетвертичных смещений в зоне сочленения Заилийского хребта с Илийской впадиной составляет около 1 мм/год.
Кунгей-Чарынский блок представляет собой клиновидный блок, вдвинутый в пространство между противоположно выгнутыми дугами, образованными активными разломами, составляющими южную границу Заилийского блока и северную границу Иссык-Кульского блока. Очаг Чиликского землетрясения 1889 года структурно приурочен к северной границе рассматриваемого блока, однако, каких - либо значительных поверхностных сейсмотектонических дислокаций, возникших при этом сильнейшем событии, не отмечено.
Современные представления о физической природе землетрясений и движений в очагах
С общей физической точки зрения землетрясение представляет собой процесс распространения в геофизической среде нестационарных волн, возникающих внезапно в некоторой очаговой области, малой по отношению к области, вовлекающейся в волновой процесс. В начале века академик Б.Г. Голицын в известных лекциях по сейсмометрии подчеркивал, что огромное большинство землетрясений - тектонического происхождения, когда вследствие "кряжеобразовательных" процессов происходит внезапное смещение горных пород, вызванное локальным нарушением упругого равновесия [124]. Сходные соображения по так называемой упругой отдаче в то же время выдвинул Рейд [125]. Представления о релаксации упругой потенциальной энергии среды посредством внезапной подвижки горных масс в очаге землетрясения основываются в настоящее время на данных инструментальных наблюдений землетрясений локальными, региональными и мировой сетями сейсмических станций и на результатах использования целого ряда методов изучения механизма очага землетрясения, включающего такие методы, как интерпретация картины полярности первых вступлений объемных волн, спектральный анализ цифровых записей объемных и поверхностных волн, изучение собственных колебаний Земли [59,126]. Эти представления подтверждаются также геологическими исследованиями, обнаруживающими приуроченность землетрясений к областям основных геологических разломов. Тем не менее, задача механики и физики призвана объяснить, каким образом в термодинамических условиях земных недр может осуществляться подвижка по готовому или вновь возникшему разрыву или в ослабленной зоне, и в последнем случае также дать описание локализации зоны ослабленных прочностных или только упругих свойств геоматериала.
Остановимся, прежде всего, на механизме возникновения разрыва в материале Земли первоначально в виде некоторой узкой зоны с ослабленными реологическими свойствами. Как известно, начало пластической деформации мягких металлов связано с появлением зон локального течения материала — полос Чернова-Людерса [126]. В грунтовых и горных массивах также наблюдаются узкие зоны интенсивной деформации [127]. В специальных лабораторных экспериментах с песком удавалось получить локализацию в виде системы полос скольжения [128]. Этому явлению посвящены такие теоретические работы, как [129, 130], причем, явление локализации выводится, исходя из специфических реологических законов, описывающих поведение грунта, и учета стесняющего действия граничных условий [130]. Сходные явления локализации можно ожидать и при физических явлениях иной природы — фазовых переходах, развитой стадии ползучести, частичного плавления, поскольку в этих процессах, требующих энергии для своего осуществления, может оказаться энергетически выгодной локализация процесса.
Перейдем далее к физическим аспектам потери устойчивости развития локализованной ослабленной зоны в очаге землетрясения. Рассмотрение возможности подвижки горных масс по некоторой поверхности в очаге землетрясения требует, в первую очередь, уяснения роли высокого литостатического давления, достигающего величин в несколько сотен бар уже в верхних слоях земной коры. Известно, что при обычных условиях начало подвижки по некоторой поверхности нарушения сплошности может описываться соотношением Кулона-Мора T = T0+K- J, (2.11) где т— сдвиговое напряжение на плоскости нарушения; то — сила сцепления материала; ст- литостатическое давление; к- константа материала, выражаемая также через тангенс угла внутреннего трения.
Ясно, что оценка силы трения только по литостатическому давлению и без привлечения представлений о физическом состоянии горных пород приведет к выводу о невозможности подвижки в глубинах земной коры и мантии, поскольку, по всем существующим оценкам, касательные напряжения г были бы не в состоянии преодолеть напряжение кулонова трения. Выход из положения видится в учете наличия структурно-текстурных особенностей горных пород, микротрещиноватости, пористости, что создает для комплексов горных пород возможность как вмещать (накапливать) жидкости и газы, так и пропускать их через себя [131]. Вода, относимая к числу важнейших окислов, всегда обнаруживаемая в том или ином
состоянии в силикатных горных породах, прочно связана при обычных температурах и давлениях в кристаллической структуре минералов, однако может быть выделена из такого растворенного состояния при высоких значениях этих параметров [131]. Так, дегидратация серпентинита с разложением на оливин, тальк и воду происходит при температурах порядка 500 С в диапазоне давлений 3,5-5 кбар [132]. Дегидратацией сопровождаются также многие процессы метаморфизма, развивающиеся в горных породах, содержащих амфиболиты, слюды, гнейсы, гипсы [133]. Представляется, что эти процессы могут охватить широкий диапазон глубин в пределах земной коры и верхней мантии ввиду большого числа возможных реакций дегидратации, вовлекающих разнообразные минералы, каждый в своем термодинамическом диапазоне [134].
Присутствие в порах воды или других жидких или газообразных компонент в значительной степени снижает действие внутреннего трения, так что в (2.11) последнее определяется уже не полным литостатическим давлением а, но только эффективным давлением Стэф, отличающимся от полного давления ана величину порового давления р [135]. Такой же эффект может дать частичное плавление породообразующих минералов [136]. Таким образом, комплекс горных пород в условиях земных недр проявляет свойства многофазной, гетерогенной системы, состоящей из скелета, жидкой и газообразной фаз. Эффективное давление, только и воспринимаемое скелетом, определяется разностью литостатического и порового давлений, так что закон Кулона-Мора принимает вид [137] Т = Т0+К-аэф (2.12) где эффективное давление "эф=сг- Р. (2.13)
Теперь оказывается возможным рассмотреть вопросы устойчивости некоторой ослабленной зоны, выступающей с макроскопической точки зрения в качестве сдвиговой трещины в упругом теле. Заметим, что в рамках закона Кулона-Мора (2.11) или (2.12), (2.13) принципиально неразличимы квазистатическое, "криповое" движение по зоне ослабленной прочности и спонтанное, динамическое распространение подвижки.
Вопрос об устойчивости сдвиговой трещины можно рассмотреть в рамках подхода Гриффитса, положившего, как известно, начало современной механике разрушения [138]. Главные для наших целей свойства решения можно получить в данном случае, основываясь на качественном анализе подхода Гриффитса, приведенном в монографии Г.П. Черепанова [139].
Об инвариантах напряженного и деформированного состояния в математических моделях сплошной среды
В механике сплошных сред обычно принимается стандартный набор инвариантов симметричного тензора второго ранга для напряженного состояния /j = 7, + Т2 + Т3,12 =0[02 +0"2 Хз+О"з0і 3= 2 3 (3.17) независимо от типа среды (твердое тело, вязкая жидкость и т.п.). Здесь главные значения тензора напряжений 0i, 72 3 (3.18) и триэдр главных направлений тензора Jtj(ij = x,y,z) определяют напряженное состояние в малом объеме сплошной среды, Су = Gji [196,197].
Обычно в моделях считается существенным изменение второго инварианта, влиянием первого для несжимаемых сред и третьего, связанного с видом напряженного состояния, часто пренебрегают. В связи с этим исчезает информация о триэдре главных направлений -выбор первого и второго инвариантов (для девиатора напряжений) не требует информации о главных направлениях.
Аналогичное (3.17) представление инвариантов используется и для симметричного тензора деформаций или тензора скоростей деформаций. При этом для связи инвариантов напряженного и деформированного состояния (или скоростей изменения деформированного состояния) принимается подобие тензоров напряжений и деформаций (скоростей деформаций). Хотя в реальных ситуациях отклонение от подобий возможно и закономерно [198-200].
С учетом этих фактов предлагается вводить иной набор инвариантов, основанный на физической интерпретации процессов диссипации энергии в моделях пластических и вязких сред и связанный с площадками максимальных касательных напряжений Т и главными сдвигами Г (скоростями деформаций сдвига). Данные физики твердого тела и последние результаты в области мезомеханики [201] подсказывают эти направления исследования [202,203].
В этом случае тождественными преобразованиями легко перейти от (3.17) либо (3.18) к обоснованию этого нового набора инвариантов: о-, Za2 а3,сг„ +Т а2 ап -Т Т сг2- тп -Т ца -1, (3.19) где
Можно догадываться, что именно так был введен параметр Лоде-Надаи \х , характеризующий вид напряженного состояния. Сделаем два замечания по поводу нового набора инвариантов gj- 73 _сг1+ст3 _2ст2-ах-аъ Т= —Z—9 т„-—2— ет т (3,20) которые полностью характеризуют напряженное состояние в элементарном объеме среды, т.е. справедливо следующее утверждение: для характеристики напряженного состояния в элементе сплошной среды необходимо и достаточно ввести три инварианта (3.20).
Первое замечание связано с тем, что при введении инвариантов никогда (кроме редких случаев учета третьего инварианта [197, 204]) не отмечалось условия изотропности набора (3.17) в смысле независимости от направления главных осей. Действительно, учет первого и второго инвариантов не требовал учета ориентации триэдра главных направлений тензора напряжений.
В отличие от этого, введение набора (3.19) определенно указывает на эту зависимость, так как инвариант Т связан с площадками максимальных касательных напряжений, разделяющих углы между первым и третьим главными направлениями пополам. Инвариант оп не зависит от главных направлений, а инвариант Цо, так же как и Т, существенно связан с ориентацией главных осей и указывает на влияние других (двух) экстремальных касательных напряжений _ ах - т3 _(тх+аъ 72з-— — уі2-—2— (3-21 так как _ 23 М2 Известно, что при одноосном растяжении (двухосном сжатии) Ц а — 1 , а при кручении JU а = 0 , Это означает, что роль площадок с касательными напряжениями (3.20) при Мег возрастает по сравнению с Ца = 0.
Итак, утверждается, что введение трех инвариантов Т, &піМа позволяет описать возникающую при необратимых деформациях и разрушении анизотропию сопротивления сдвигам и тем самым построить математическую модель деформирования твердых тел, адекватную физическим процессам [201-203]. В рамках рассматриваемой модели основными фактами, положенными в основу, являются экспериментально определяемая зависимость между максимальным касательным напряжением и главным сдвигом при кручении (при JUa =0) и включение в работу других площадок с экстремальными касательными напряжениями в соответствии со значениями параметра Лоде-Надаи. При этом на этих площадках проявляется тот же экспериментальный закон, что и на главных площадках. Все вышеизложенное справедливо и для инвариантов тензора деформации и скорости деформации, которые вводятся аналогично (3.19). При этом необходимо отметить неоднозначность терминологии. В некоторых работах, например [205], соответствующее построение /ле из главных деформаций называется параметром Надай, а термин "параметр Лоде-Надаи" относится только к ц& Однако методически более предпочтительно использовать, как в [21] и других работах, единый термин для однотипных математических конструкций (для таких задач, как классификация режимов и картирование различной физической природы тензоров Стік и Бік»- не существенно).
В последние годы в геофизике и геомеханике уделяется большое внимание изучению упорядоченных блочных структур в горном массиве, причем обнаружена иерархия таких структур [202, 203]. Таким образом, утверждается существование и развитие блоков практически в соответствии с площадками максимальных касательных напряжений и главных сдвигов, о которых было сказано выше. Развивая это представление, следует указать, что предлагаемый набор инвариантов с физической точки зрения наиболее точно описывает деформирование массива геосреды под действием тектонических нагрузок, так что его естественно применять при работе с сейсмотектоническими деформациями.
Коэффициент Лоде-Надаи введен и в сейсмологическую практику в работах [21,206]. Этот коэффициент определяет вид деформации, выражается через главные значения тензора деформации (3.18) и характеризует распределения механизмов совокупности по отношению к среднему и так же может выступать в качестве статистической характеристики. Поясним это на различных ситуациях. В случае, когда рассеяние осей t вокруг их среднего положения, определяемого осью Т, существенно меньше (больше) рассеяния осей р вокруг оси Р, коэффициент Лоде- Надай равен -1(р , = +1)и имеет место процесс деформирования типа одноосного растяжения (сжатия). При таком деформировании вдоль определенного осью Т (осью Р) направления происходит максимальная по величине деформация, а по любому направлению, ортогональному указанному, деформация вдвое меньше по величине и имеет другой знак. В другом случае, при котором распределение осей { } относительно главных осей среднего механизма (Г, В, Р) в точности такое же, как и распределение осей {р} относительно осей (Р, В, 7), коэффициент Лоде-Надаи равен 0 и реализуется процесс деформирования типа чистого сдвига. Таким образом, коэффициент Лоде-Надаи позволяет количественно выразить распространенные качественные представления о связи с видом деформации характера распределения осей и по отношению к их средним положениям.
СТД и другие методы исследования структуры Земной коры и ее деформаций
Как известно, сопоставление современного структурного плана того или иного региона с рельефом поверхности Мохоровичича позволяет выделить крупные, самостоятельно развивающиеся сегменты земной коры, в ряде случаев ограниченные крупными зонами разломов. Полученные к настоящему времени новые данные позволили пересмотреть и уточнить с этой целью ранее составленную схему рельефа поверхности Мохоровичича для территории Тянь-Шаня [217].
В пределах Тянь-Шаня отчетливо выделяются две полосы повышенных мощностей земной коры - свыше 55 км, разделенных областью небольших глубин залегания поверхности Мохоровичича (рис. 4.2,а). Северная полоса совпадает с поднятиями хребтов Киргизского, Заилийского Алатау и Кунгей Алатау, южная - с поднятиями системы хребтов Гиссаро-Алая. Кроме этих полос, имеющих тяныпаньское простирание, отмечается ряд поперечных структурных элементов. Так, например, в районе оз. Иссык-Куль прослеживается субмеридионально вытянутая область повышенной мощности земной коры, протягивающаяся в южном направлении. Подобные антитяньшаньские структурные элементы, с которыми связано как повышение, так и понижение мощности коры, выделяются и в других районах Тянь-Шаня. Следует отметить, что большинство поперечных структурных элементов рельефа поверхности Мохоровичича слабо выражены в поверхностной структуре региона. Но, в целом, области минимальных мощностей земной коры совпадают с такими крупными, длительное время прогибающимися впадинами Тянь-Шаня, как Чуйская, Илийская, Нарынская. В то же время для Иссыккульской впадины характерна повышенная мощность. Положительные структурные элементы, выделяемые на поверхности Земли, в большинстве случаев не находят четко выраженных соответствующих форм в рельефе поверхности Мохоровичича, за исключением систем поднятий хребтов
Киргизского, Кунгей Алатау и Терскей Алатау с одной стороны и Гиссаро-Алая с другой, а также ряда других. В целом же, современные поднятия часто находятся в областях и повышенных и пониженных мощностей земной коры. Зоны глубинных разломов, прослеживаемые на поверхности Земли, как правило, частично или даже полностью выражаются и в рельефе поверхности Мохоровичича. В наибольшей степени это касается разломов, разделяющих крупные структурные области. К ним относятся Алма-Атинская, Заилийская, Северо-Тяныпаньская, Западно-Тяныпаньская и Дарваз-Каракульская зоны.
Другие зоны выражены в рельефе поверхности Мохоровичича значительно слабее. Важно отметить, что в поверхностной и глубинной структуре по-разному выражаются поперечные, антитяньшаньские разрывные нарушения. Общая закономерность такова: чем слабее проявились антитяньшаньские разрывные нарушения в четвертичных движениях Памира и Тянь-Шаня, тем более четко они выражены в рельефе поверхности Мохоровичича. Так, поперечные разрывные нарушения, устанавливаемые лишь геофизическими методами, как, например, в районе оз. Иссык-Куль, часто дают значительные смещения поверхности М. Кроме того, есть целый ряд разрывных нарушений, названных нами латентными, которые, будучи четко выраженными в глубинной структуре региона, не устанавливаются на поверхности Земли. С другой стороны, зона такого крупного глубинного разлома, как Таласо-Ферганский, большая активность которого в четвертичное время не вызывает сомнений, в рельефе поверхности Мохоровичича практически не прослеживается.
Таким образом, поверхностная тектоника несколько отстает от глубинной, являясь, таким образом, как бы реликтовой. Это, несомненно, вызывает появление концентраций напряжений, обусловленных противодействием поверхностных и глубинных деформаций.
К настоящему времени о природе горообразовательных процессов сформировались две точки зрения.
Согласно первой- формирование современного горного пояса тесно связано с вертикальными движениями, которые возникают как следствие либо геофизических процессов, протекающих внутри оболочки [218], либо общего подъема земной коры вследствие появления в ее основании легкого вещества [219], либо поступления в верхнюю мантию мантийных дифференциалов [220], либо разуплотнения верхней мантии [221], либо «возбуждения» астеносферного слоя [222]. Практически все исследователи, придерживающиеся этой точки зрения, считают, что Центрально-Азиатский горный пояс начал формироваться в новейшем этапе тектогенеза.
Вторая точка зрения, известная под названием тектоники литосферных плит, основным механизмом формирования горных поясов признает горизонтальные движения, вызванные конвективными потоками в мантии [223]. Тектонические движения и процессы базируются на дрейфе континентов, раздвигании океанического дна (или спрединга), образовании трансформных разломов [224]. Ключевую роль в концепции новой глобальной тектоники играют поверхностный подвижный слой (литосфера) и подстилающий его вязкий слой (астеносфера). Астеносфера рассматривается «... в качестве крупнейшей неоднородности в мантии Земли, регулирующей и определяющей происхождение и развитие новейших геологических явлений» [225].
Многими исследователями Тянь-Шаня получена прямая связь увеличения мощности коры с ее орогенным укорочением [27,226,227]. При этом играет роль и другой механизм — наращивания коры («андеплейтинг»). Это справедливо, по крайней мере, для Северного Тянь-Шаня, восточнее Таласо-Ферганского разлома, где, начиная с палеогена, фиксируются проявления вулканизма, характерного для мантийных плюмов [228].
Выше было отмечено, что для большинства событий исследуемой территории ось сжатия близгоризонтальна и большая часть территории характеризуется деформацией простого сжатия (по коэффициенту Лоде-Надаи), что может свидетельствовать о проявлении действия тектоники литосферных плит.
На рис. 4.2,Ь и рис. 4.2,а представлены результаты расчета сейсмотектонических деформаций и карта поверхности Мохоровичича на исследуемой территории. Как видно из рисунка, выделенная территория характеризуется северо-северо-западным направлением осей сжатия по данным СТД и совпадает с областью увеличения мощности земной коры. Поскольку эта область является зоной сочленения Тянь-Шаньского орогена и Казахской плиты, то она может испытывать большие напряжения в условиях субмеридионального сжатия, что может приводить к сокращению складок и увеличению мощности земной коры на данной территории. Естественно ожидать проявлений этих эффектов в распределении сейсмотектонических деформаций, однако для их выявления детальность картирования СТД пока недостаточна.
