Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Часть I. ТЕОРИЯ, МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГОВ
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ 13
Глава 1.1. Модели очага тектонического землетрясения и сейсмический
очаг по данным мировой системы наблюдений 13
Глава 1.2. Методика определения и основные алгоритмы обработки и анализа
динамических параметров очагов землетрясений БРЗ 21
-
Методика определения динамических параметров очагов землетрясений БРЗ 25
-
Оценка влияния модели среды распространения сейсмических сигналов на динамические параметры очагов землетрясений БРЗ 33
Глава 1.3. Основные алгоритмы обработки и анализа сейсмологической
информации 46
-
Пространственно-временные вариации толчков 49
-
Динамические параметры очагов землетрясений 67
-
Определение типа подвижки в очаге по сейсмическим моментам слабых толчков 78
Часть П. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ
РИФТОВОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ О СЕЙСМИЧЕСКИХ МОМЕНТАХ
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 88
Глава ILL Напряженное состояние литосферы БРЗ по данным о сейсмических
моментах сильных землетрясений 92
П.1.1. Динамические параметры очагов сильных землетрясений 101
П. 1.2. Напряженное состояние литосферы БРЗ по данным о
сейсмических моментах сильных землетрясений 110
Глава П.2. Напряженное состояние литосферы БРЗ по данным о сейсмических
моментах слабых землетрясений 128
Глава II.3. Напряженное состояние литосферы Байкальской рифтовой зоны по
данным о сейсмических моментах землетрясений 144
Глава II.4. Напряженное состояние литосферы Байкальского рифта:
сложное пространственно-временное поведение 161
з Часть III. ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ
РИФТОВОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ О РАДИУСАХ ИСЛОКАЦИЙ 179
Глава III. 1. Пространственно-временные вариации радиусов дислокаций 183
Глава Ш.2. Деформированное состояние литосферы БРЗ по данным
о форме дислокаций 187
Глава Ш.З. Деформированное состояние литосферы БРЗ:
сложная пространственная структура 196
Глава Ш.4. Напряженно-деформированное состояние литосферы в зоне
Белино-Бусийнгольского разлома на юго-западном фланге БРЗ 204
Часть IV. СЕЙСМИЧНОСТЬ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ 225
Глава IV. 1. Основные пространственно-временные свойства энергетики
сейсмичности Байкальского региона 230
Глава IV.2. Корреляции скорости потока землетрясений Байкальского региона.. 238 Глава IV.3. Особенности пространственно-временного распределения сильных
землетрясений и групп толчков в БРЗ 246
Глава IV.4. Оценки сейсмичности Байкальского региона по данным о
сильных землетрясениях 254
IV.4.1. Рекуррентные интервалы и вероятности сильных землетрясений
Байкальского региона 256
IV.4.2. Смещения скального основания в гг. Иркутске, Ангарске и Усолье-Сибирском от сильных землетрясений южного
Прибайкалья 266
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 281
ЛИТЕРАТУРА 287
Введение к работе
Актуальность проблемы. Представленная работа направлена на разработку новых подходов к исследованию структуры и динамики напряженно-деформированного состояния (НДС) литосферы и сейсмичности на современном (инструментальном) этапе эволюции Байкальской рифтовой зоны (БРЗ). Задачи диссертации определены актуальной проблемой обеспечения сейсмической безопасности.
Для эффективного проведения антисейсмических мероприятий необходимо решение ряда фундаментальных и прикладных задач, определяемых структурой и реологическими свойствами среды, НДС литосферы, геодинамическими процессами и общей сейсмичностью региона. Современные представления о сейсмичности как сложном явлении деформирования иерархически построенной структурно-неоднородной дискретной геофизической среды в феноменологической модели стационарного сейсмического процесса (Садовский и др., 1987) формируют понятие о неустойчивости НДС горных пород и стохастическом характере распределений напряжений и деформаций в литосфере (International..., 2002). В рамках этих фундаментальных представлений выдвинута проблема изучения свойств геолого-геофизической среды, НДС литосферы и сейсмичности активных регионов методами статистического анализа параметров толчков в полном диапазоне энергетических классов землетрясений. Предполагается, что выявленные на новом уровне познания закономерности НДС литосферы и тенденции его изменения дадут возможность связать их с пространственно-временной и энергетической структурой сейсмичности и смоделировать развитие сейсмического процесса, в том числе и сильных землетрясений, для решения проблем обеспечения сейсмической безопасности регионов.
Байкальская рифтовая система (БРС) более полувека привлекает пристальное внимание исследователей. Несомненны большие достижения в ее геолого-геофизическом изучении, пройден важный экспериментальный этап в исследовании внутриконтинентальной рифтовой структуры. Наблюдаемая в БРЗ сейсмичность указывает на структурную неоднородность среды
5 и неоднородное пространственно-временное распределение напряжений и деформаций. НДС литосферы региона характеризовалось, в основном, кинематическими и динамическими параметрами очагов небольшого числа сильных землетрясений. В настоящее время получение новых фундаментальных знаний о НДС литосферы БРЗ ориентируется не только на изучение отдельных аспектов, но и использует теорию и методы нелинейных динамических систем для целостного понимания природы и эволюции БРС. Это не только позволяет представить весь объем имеющихся знаний о сейсмичности, геодинамике и НДС литосферы БРЗ в рамках единой концепции, но и обнаружить качественно новые, присущие широкому классу природных объектов, особенности строения и эволюции рифтовой системы.
Цель исследований. Разработка технологии статистического анализа пространственно-временной и энергетической структуры НДС среды и сейсмичности на основе решения задач очаговой и структурной сейсмологии для установления основных параметров и закономерностей НДС литосферы и моделирования сейсмичности активных регионов. Выявление, идентификация и верификация геолого-геофизических структур, геодинамических явлений и особенностей НДС среды в литосфере БРЗ, влияние которых нашло отражение в пространственно-временных вариациях динамических параметров очагов землетрясений и сейсмичности, для развития феноменологической модели стационарного сейсмического процесса в условиях БРС.
Основные задачи исследований:
1) выполнить массовое определение динамических параметров очагов землетрясений, разработать методы статистического анализа пространственно-временной и энергетической структуры НДС литосферы и сейсмичности и развить способы геофизической интерпретации результатов, полученных по данным о параметрах сейсмических источников БРЗ;
2) установить критерии и параметры пространственно-временных вариаций НДС литосферы БРЗ и сейсмичности, верифицировать основные закономерности пространственно- временных связей НДС среды и сейсмичности на различных иерархических уровнях литосферы
6 БРЗ с целью развития феноменологической модели стационарного сейсмического процесса для решения проблем сейсмической безопасности в Байкальском регионе.
Фактический материал, методы исследования и аппаратура. Основой диссертации являются динамические параметры очагов почти 90000 землетрясений, зарегистрированных с
1968 по 1994 гг. в пределах Байкальского региона (^=48-б0 с.ш., Л=96—122 в.д.). В работе определены динамические параметры очагов в широком диапазоне энергетических классов толчков (6<Кр<15), представительность выборки достигает 95% от числа зарегистрированных землетрясений. Сейсмичность региона исследована по материалам Байкальского филиала (БФ)
ГС СО РАН за 1964-2002 годы, где диссертант работал с 1972 по 1979 годы. В диссертации использованы также материалы режимных и полевых сейсмологических наблюдений, с целью получения которых автор, начиная с 1976 г. участвовал в экспедиционных сейсмологических исследованиях на трассе БАМ и других территориях. Часть используемых в диссертации фактических данных относится к территории Монголии, в различных районах которой диссертант проводил сейсмологические исследования. При экспедиционных исследованиях использованы различные сейсмографы с аналоговой и цифровой регистрацией, аппаратурно- вычислительные и измерительные комплексы, а также геофизическое оборудование лаборатории сейсмологии ИЗК СО РАН. Методы исследований ориентировались на формирование целостного представления (в рамках разрабатываемой проблемы и сделанных допущений) об основных характеристиках и свойствах НДС литосферы и сейсмичности БРЗ. В соответствии с поставленными проблемами в диссертации применен широкий спектр подходов при развитии методов и алгоритмов формализованного определения и статистической обработки динамических параметров очагов землетрясений, анализа и интерпретации пространственно-временных и энергетических закономерностей НДС среды и сейсмичности на различных иерархических уровнях литосферы БРЗ, идентификации и верификации происходящих в ней геодинамических процессов и пространственных геологических структур.
Достоверность полученных в диссертации основных результатов и выводов подтверждается высокой представительностью используемых данных, применением статистических методов обработки, верификацией по натурным и хорошо проверяемым материалам сейсмологических и геофизических наблюдений и широкой апробацией.
Основные результаты и научные положения работы, выносимые на защиту.
Технология исследования пространственно-временной и энергетической структуры НДС литосферы и сейсмичности активных регионов, включающая в себя комплекс методов определений и статистической обработки динамических параметров очагов землетрясений, алгоритмов реконструкции и идентификации НДС среды на различных пространственно-временных и энергетических уровнях, способов калибровки и интерпретации динамических параметров в формулировках НДС среды, форматированных массивов исходных сейсмологических материалов и баз данных сейсмических источников.
Критерии и параметры пространственно-временных вариаций НДС литосферы БРЗ характеризуют сложную структурную неоднородность и динамическую неустойчивость среды. В эволюции литосферы БРЗ большую роль играют перестройки НДС среды, обусловленные инверсией осей главных напряжений, возникающей в областях доминирования рифтогенеза в районе Южно-Байкальской, Хубсугульской-Дархатской и Муйской впадин. В центральной части БРЗ неоднородность НДС литосферы сильнее, чем на флангах и окраинах, а максимальная неоднородность НДС среды установлена в Южно-Байкальской впадине.
Метод прогноза динамики сейсмичности на основе мониторинга НДС литосферы по данным о динамических параметрах очагов землетрясений и развитой феноменологической модели стационарного сейсмического процесса в БРЗ. Перестройки НДС литосферы БРЗ приводят к кратковременной упорядоченности энергетики и синхронизации динамики сейсмичности, а в остальное время параметры сейсмичности в трех районах и шести участках региона коррелированны слабо. Наиболее сильные землетрясения региона с энергетическим классом Кр>14 (магнитуда Ми&5.5) происходили пространственно разнесенными парами после инверсии осей главных напряжений в литосфере БРЗ.
8 4. Основные закономерности пространственно-временных связей НДС среды и сейсмичности установлены и верифицированы в литосфере БРЗ. В поле эпицентров толчков идентифицировано разделение сейсмичности БРЗ на три района. В энергетической структуре сейсмичности соответствие наблюдается в наклонах у графиков повторяемости землетрясений и в распределении суммарной сейсмической энергии во времени. Эффекты синхронного нарастания скорости сейсмического потока указывают, что активизации динамики сейсмичности происходили практически в одно время в различных областях БРЗ после перестроек НДС литосферы.
Научная новизна. Впервые на представительном фактическом материале выполнен статистический анализ пространственно-временной и энергетической структуры НДС литосферы БРЗ, который показал, что НДС литосферы региона неоднородно в пространстве и неустойчиво во времени. Диссертантом установлено, что основные наблюдаемые особенности закономерных изменений сейсмических моментов землетрясений обусловлены сменой типа подвижки в очаге при инверсии осей главных напряжений в литосфере БРЗ. 'Показано, что такие процессы хорошо вписываются в рамки модели нелинейной динамики напряжений с бифуркацией трехкратного равновесия. При анализе радиусов дислокаций установлено, что в центральной части БРЗ среда деформирована сильнее, чем на флангах и окраинах, а максимальная неоднородность НДС среды обнаружена в Южно-Байкальской впадине -историческом ядре БРС (Logatchev, Zorin, 1992). В литосфере БРЗ выделены зоны неоднородностей НДС среды, максимумы которых соответствуют областям доминирования рифтогенеза в районе Южно-Байкальской, Хубсугульской-Дархатской и Муйской впадин.
Проведенный диссертантом ретроспективный анализ формализованных статистических параметров НДС литосферы и сейсмичности показал, что наиболее сильные землетрясения региона с энергетическим классом ІР>14 (магнитуда М\м>5.5) обычно происходят пространственно разнесенными парами в определенных областях после инверсии осей главных напряжений. Такие предпосылки предполагают возможность среднесрочного прогноза сильных толчков в Байкальском регионе по данным о динамических параметрах очагов землетрясений. Перестройки НДС литосферы БРЗ приводят к кратковременной упорядоченности энергетики и синхронизации динамики сейсмичности, обусловленной переходом структурно-неоднородной иерархической среды через неустойчивость к метастабильному состоянию, а в остальное время характеристики и параметры сейсмичности различных областей БРЗ коррелированны слабо.
Разработана методика оценки локальной сейсмической опасности в зоне разлома по данным о параметрах сейсмических источников и осуществлен детальный пространственно-временной анализ НДС среды и сейсмичности в зоне Белино-Бусийнгольского разлома. Установлено, что НДС среды в зоне разлома неоднородно, а динамика напряжений хорошо корреспондирует с вариациями напряженного состояния литосферы южного Прибайкалья и БРЗ, указывая на инвариантность формирования НДС на различных пространственных уровнях структурно-неоднородной среды. В диссертации установлено, что в продолжительных сериях афтершоков при повышенном уровне деформационных процессов, характерном для перестроек НДС среды, возникает явление самоорганизации, направленное на ускоренный сброс напряжений. Кинематика и динамика афтершоков корреспондируют с характером перестроек НДС среды в зонах очагов сильных землетрясений, который в целом аналогичен механизму перестроек НДС литосферы БРЗ. Аналогия механизмов перестроек объясняется самоподобием структурно-неоднородной среды и ограниченным числом возможных путей эволюции материи.
В диссертации установлено, что перестройки НДС литосферы БРЗ обусловлены инверсией осей главных напряжений и между усилением неустойчивости и активизацией сейсмического процесса верифицирована связь. Это развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса, отражая особую роль и существенное влияние перестроек НДС литосферы на сейсмичность БРЗ. Наблюдаемая на исследуемом уровне сейсмогенеза стадийность и системность процесса является одним из атрибутов механизма возвращения иерархической системы разломов-блоков в метастабильное состояние после геодинамических перестроек и сильных землетрясений.
10 Практическая значимость работы. Диссертантом разработана и применена технология массового определения динамических параметров очагов землетрясений, ориентированная на использование до 100% зарегистрированных сейсмических событий для изучения и анализа НДС литосферы БРЗ. Разработаны и реализованы алгоритмы обработки и формализации исходных данных, направленные на статистический анализ пространственно-временной и энергетической структуры НДС среды и сейсмичности на различных иерархических уровнях литосферы региона. Развиты методики и алгоритмы, ориентированные на идентификацию динамических процессов и выделение пространственных структур в литосфере БРЗ. Предложены способы геофизической интерпретации полученных материалов и результатов в терминах и понятиях НДС литосферы.
На основе феноменологической модели стационарного сейсмического процесса и мониторинга НДС литосферы БРЗ разработан метод среднесрочного прогноза сильных землетрясений, который развивает возможность предсказания сильных толчков по данным о динамических параметрах очагов землетрясений. На картах пространственного распределения сейсмических моментов сильных землетрясений идентифицированы районы со статистически значимыми вероятностями реализации типа подвижки в очаге. Такая регионализация Байкальского региона, в совокупности с другими геолого-геофизическими методами, дает возможность более надежно и обоснованно подойти к дифференциации зон возникновения очагов землетрясений (зон ВОЗ) и сейсмическому районированию территории на основе классификации сейсмических толчков по типу подвижки в очаге. Расчеты и карты показали, что землетрясения из зоны Главного Саянского разлома представляют повышенную сейсмическую опасность для городов юга Восточной Сибири.
Разработана методика оценки локальной сейсмической опасности в зоне разлома по данным о параметрах сейсмических источников. В зоне Белино-Бусийнгольского разлома оценена локальная сейсмическая опасность и выделены участки территории, в которых сейсмический риск минимален. Полученные карты коэффициентов локальной опасности
11 разлома могут быть использованы как базовые для оценки сейсмических, эколого- геологических и других рисков.
Заложены основы компьютерной информационной технологии реконструкции и идентификации НДС литосферы БРЗ на различных пространственно-временных масштабах, включающие в себя автоматизацию процесса, обеспечение решения задач определения текущих и прогнозных оценок и компьютерную визуализацию НДС среды и сейсмичности по данным очаговой и структурной сейсмологии.
Личный вклад автора. Личный вклад автора в защищаемую диссертацию является определяющим, что подтверждается списком публикаций. Основные научные результаты отражены в 78 публикациях. Всего по теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе 2 монографии.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на региональных тематических совещаниях (Иркутск, 1982; 1984; 1997; 2007), на совещаниях по проблемам сейсмичности, НДС литосферы и геодинамики (Владивосток, 1989; Южно-Сахалинск, 1991; Екатеринбург, 1998; Новосибирск, 2000; Иркутск, 2001; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006; 2007; Красноярск, 2001; Улан-Удэ, 2003) и международных научных форумах различного ранга (Иркутск, 1999; 2002; Улан-Батор, 2001; 2007; Улан-Удэ, 2005).
Объем и структура диссертации. Общий объем работы (313 стр.) составляют четыре части, введение и заключение (всего 286 стр.), 80 рисунков (на 66 стр.), 25 таблиц (на 16 стр.) и список литературы (410 наименований на 27 стр.).
Работа выполнена в лаборатории общей и инженерной сейсмологии Института земной коры СО РАН. Автор выражает особую благодарность научному консультанту, доктору геол.-мин. наук В.И. Джурику за постоянное внимание и помощь на всех этапах работы. Автор глубоко благодарен академикам РАН Н.А. Логачеву, Ф.А. Лстникову и Г.С. Голицыну за постоянное внимание и поддержку исследований. Автор благодарит коллег по работе В.М. Кочеткова, Ю.А. Зорина, Е.Х. Турутанова, В.М. Демьяновича, М.Г. Демьяновича, К.Ж.
Семинского, B.C. Имаева, В.И. Найдича, В.А. Потапова, В.А. Павленова, В.В. Чечельницкого, Е.Н. Черных, Ф.Л. Зуева, Г. Баяра, А.А. Храмцова, Н.М. Грудинина, Н.А. Гилеву и других, содействовавших выполнению работы, за помощь в экспериментальных и теоретических исследованиях и ценные советы. Автор благодарен член-корр. РАН Е.В. Склярову, доктору физ.-мат. наук СИ. Голенецкому, докторам геол.-мин. наук К.Г. Леви, СИ. Шерману, В.А. Голубеву, В.В. Ружичу, кандидатам геол.-мин. наук А.В. Чипизубову, В.А. Санькову, В.И. Мельниковой, Н.А. Радзиминович и другим коллегам за обсуждение полученных результатов и доброжелательную критику отдельных положений диссертации, а также сотрудникам лаборатории общей и инженерной сейсмологии ИЗК СО РАН, оказавшим помощь в ходе работы над диссертацией.
