Введение к работе
Постановка проблемы.
Создание модели деформации и землетрясений земной коры, происходящих в огромных объемах неоднородной среды в поле силы тяжести является важнейшей проблемой геофизики, сейсморазведки и сейсмологии. Эти проблемы невозможно решать без знания особенностей структуры неоднородностей среды и свойств объема очага и зон подготовки будущего землетрясения.
Возможность прогноза землетрясений сегодня зависит от возможности обнаружить процесс подготовки еще не проявившего себя очага и выявить по близким и далеким предвестникам время формирования (пробуждения) собственно очага и фазы развивающихся очаговых зон. При изучении природы и механизма большинства динамических явлений необходимо решать обратные задачи - по конечному результату эффекта восстанавливать исходную модель, И очевидно, что проблема создания единственной общей модели подготовки землетрясения должна осуществляться через геодинамику ее очаговых зон и логически должна включать в себя несколько частных моделей, не вступающих в противоречие, а дополняющих одна другую, и обладать прогностической силой. При этом главная трудность проблемы – установление блочно-иерархической глубинной структуры не только в пространстве, но и в пространстве – времени. Такие общие модели подготовки отдельного крупного землетрясения важно построить в сочетании с ведущими процессами - сейсмическим режимом, с другими аномалиями геофизических, геохимических и геодинамических полей в большом объеме земной коры за значительные промежутки времени. И, естественно, при этом следует ожидать более подробных и более точных моделей конкретно для различных региональных геодинамических обстановок с тензочувствительными геолого-геофизическими условиями. Поэтому в решении этих новых сложнейших проблем геодинамики очаговых зон, и в частности их прогноза, без экспериментальных исследований иерархических динамических объемов структурно-физических неоднородностей, изменений их размеров, формы, контрастности физических свойств и процессов подготовки землетрясений в земной коре, сейсмологии - структурной и очаговой, должна принадлежать выдающаяся роль в ряду других геофизических методов.
Актуальность работы.
Актуальность диссертации имеет практический и теоретический аспекты. Практический аспект определен исключительной важностью снижения сейсмического риска, основанного на повышении точности и надежности выявления очаговых зон готовящихся разрушительных землетрясений, оценки сейсмической опасности территории и точности прогноза места и времени сильнейших землетрясений. Теоретический аспект работы вытекает из ставшей очевидной в последние годы невозможности объяснить возникновение землетрясений в рамках теорий, традиционно рассматривающих лишь локальные процессы их подготовки и без изучения соответствующей иерархической структуры земной коры, как самих зонах очагов сильных землетрясений, так и на прилегающих территориях более широких пространственно-временных рамках. Исходя из следствия фундаментального для сейсмологии закона повторяемости землетрясений утверждается (Садовский М.А., 1989), что накапливается потенциальная энергия в структурных объемах, распределяясь приблизительно равномерно по размерам поверхностей тех объемов, которые соответствуют очаговым зонам землетрясений, а диссипируется в основном на иерархической системе поверхностей. Поэтому причины природы землетрясений прежде всего необходимо искать в объемах их главных очагов и развивающихся очаговых зонах сейсмичности. Прогноз очаговых зон готовящихся сильных землетрясений во многом зависит от переноса приоритета в исследованиях с поиска предвестников землетрясений на изучение геомеханических и физических процессов подготовки главных очагов и их развивающихся зон, происходящих в конкретных блоковых структурах. Изучение блокового строения структуры очаговых зон, современных движений земной коры и сейсмического режима в приложении к процессам подготовки землетрясений – еще одно важное направление. Вместе с тем актуальны также традиционные комплексные исследования пространственного распределения разнообразных предвестников и их теоретического осмысливания для понимания природы предвестников выяснения связи их характеристик с размерами очага. При этом особо важной является трактовка геодинамических процессов деформации земной коры, происходящих в сейсмическом очаге и на больших пространствах вне очага в процессе подготовки землетрясения, во время и после его реализации. Только геодинамическая закономерность приложима ко всем явлениям вообще и к каждому в отдельности, но именно геодинамические закономерности не установлены для зон подготовки землетрясений в гипоцентре на разломе, очаге и вне его, на обширных и долгоживущих областях. Парадокс положения в том, что до сих пор не сформировалась специального сейсмологического и геодинамического направлений, изучающих такие сложные, самоорганизующиеся тройные системы структур и процессы, как очаговые зоны сейсмичности готовящихся главных очагов землетрясений. Разработка количественных моделей процессов подготовки землетрясений и очагов, как общие, так и для конкретных геофизических условий невозможна без экспериментального исследования в натуре процессов в коре, и важное место при этом должно отводиться развитию комплекса сейсмических и сеймологических методов и соответствующих моделей геодинамики очаговых зон землетрясений. Данное исследование относится к области специальной сейсмической геодинамики развивающихся очаговых зон подготовки землетрясения. Для обоснования и разработки этого нового и перспективного научного направления в своих построениях она должна опираться прежде всего на данные о современном строении, составе и физических свойствах среды формирования очаговых зон землетрясений. Для этого аспекта геодинамики очаговых зон (статический) предмет исследования должны составлять проблемы структурно-физических неоднородностей, включая блоки и разломы, внутреннее строение, объемы и оконтуривание элементов очаговой зоны, конфигурации формы, вещественный состав, состояние реологии и т.п. Без знания формы границ очаговой зоны, к которым приложены силы, вызывающие землетрясения, нельзя определять однозначно напряжения, даже если смещения заданы в каждой точке поверхности. Следовательно, для интерпретации наблюдаемых деформаций необходимо знать модель структуры среды очага землетрясения. Сейсмическая геодинамика должна опираться также на данные изучения движения земной поверхности в современную эпоху и в историческом прошлом (кинетический аспект). Этот второй аспект дает, собственно, представление о динамике физических процессов, протекающих в очаговых зонах землетрясений. Оба аспекта представлений основываются на информации, получаемой геофизическими методами – главным образом методами структурной и очаговой сейсмологии. Без создания правильных детальных моделей геологической среды и реальных моделей процессов подготовки землетрясений сейсмология лишена своей методологической основы. Конечной целью исследований являются создание системных моделей геодинамики очаговых зон землетрясений, компоненты которых являются многофакторными и взаимосвязанными с переносом центра тяжести исследований на решение генетических и прогнозных задач. В качестве самостоятельного объекта, характеризующегося единством сейсмогеодинамического развития, выбран Кавказско-Иранский регион, включая Каспийское море, и его отдельные части территорий разномасштабного уровня, соизмеримые с площадями ответственными за возникновение землетрясений различного ранга магнитуд от 5 до 9 включительно. Подрегионы выбранного объекта содержат набор происшедших сильных землетрясений разных диапазонов магнитуд до М8, с соответственно разными размерами областей проявления очаговых зон и разнообразной сейсмичностью и сейсмическим режимом. Особую важность здесь имеет комплексное изучение вариаций геофизических полей в их связи со строением земной коры и процессами подготовки сильных землетрясений. Поэтому системное изучение геодинамических процессов деформации в их связи с неоднородно-блоковым строением земной коры, естественными и техногенными воздействиями в их выраженности в сейсмическом, вулканическом, геохимическом, гидрогеодинамическом режиме и распределении размещения полезных ископаемых имеет исключительное фундаментальное научное и практическое значение, актуальность.
Цель исследования.
Разработка региональных системных геодинамических моделей прогноза очаговых зон готовящихся сильных землетрясений на основе развития и применения новых методов детального выявления и комплексного подхода к изучению закономерностей структуры и движений блоковой среды по данным глубинной многоволновой сейсмики и режима параметров сейсмологических и геофизических процессов с учетом масштабности и единства их проявления. Важно исследовать закономерности, связывающие строение земной коры и происходящие в ней сейсмологические, геофизические и другие геодинамические процессы в периоды подготовки землетрясений, и стадии последействия; установить связь структурных направляющих эволюции процессов с характерными размерами и свойствами межблочных границ в развивающихся очаговых зонах, с долговременной сейсмической активностью и с факторами определения причин землетрясений, их предвестников, последствий и возможно нефтегазоносности, рудоносности и экологии.
Направления исследований.
Разработка метода многоволнового ГСЗ, повышение детальности и надежности исследований структуры и региональных особенностей, связанных с сейсмичностью, грязевым вулканизмом и нефтегазоносностью.
Изучение временных изменений геофизических полей в земной коре как показателя геодинамической активности.
Разработка и проверка ретроспективным анализом новых пространственно-временных моделей сейсмогеодинамических процессов, в частности повышение эффективности выделения зон возможного возникновения сильного землетрясения (ВОЗ), уточнить положение известных и выявить новые зоны.
Совершенствование динамических методов оценки параметров сильных землетрясений и методов детального сейсморайонирования для территорий строительства особо важных объектов.
Методология и методики.
Методологическую основу исследования составляет предложенный целостный системный подход и комплексный анализ, как пространственного выделения геолого-геофизическими, в основном модифицированными, методами ГСЗ блоково-разломных структур очагов и очаговых зон готовящихся землетрясений, так и выявления мониторинговыми методами пространственно-временных динамических структурных образований в сейсмологических полях землетрясений, сейсмоскоростей, геофизических, гидрогеологических, геохимических и геодинамических аномальных проявлениях процессов. Разработаны также методы последующего корректного соотнесения результатов прогноза глубинной структуры среды и динамики физических процессов, происходящих в глубинном очаге и вне его, в более широких пространственных рамках, в процессе подготовки землетрясения, во время и после его реализации. Новые сейсмические методы направлены на построение и создание моделей, основанных как на многоволновом принципе, так и на распределениях скоростных параметров. Скоростные модели явились исходными для разработки и применения методов оценки статического решения напряженного состояния среды по данным сейсморазведки, выявления локальных особенностей среды формирования очаговых зон, восстановления формы объемов этих зон, определения их энергетических потенциалов, а также методов построения многопараметрических геофизических моделей и локальных сейсмических годографов на основе математического моделирования для оценки глубин фокуса землетрясений. Исследование структуры и процессов подготовки землетрясений производилось по многомерным системам геофизического мониторинга с применением и формализованных методов анализа на основе современных программных средств, как существующих, так и специально разработанных алгоритмов.
Основные гипотезы.
Идея работы основывается на гипотезах: подготовки землетрясений, развивающихся очаговых зонах, их предвестниковых явлений - кольцевой активизации и затишья, консолидационной, лавинно-неустойчевого состояния и разломно-дилатансионного развития процесса деформирования в объеме области подготовки очага и зонах проявления аномалий геофизических полей; возможности образования динамических постранственно-временных структур в геофизических полях, отображающих реакцию геофизической среды на изменения в кинетике деформационного и сейсмического процессов в связи с подготовкой сильного землетрясения; геофизической блочно-иерархической среды, и иерархичности сейсмического процесса; долговременной сейсмической опасности на основе анализа главных параметров сейсмического режима и определения максимальных возможных землетрясений по комплексным сейсмолого-геолого-геофизическим данным; деформационных волн; накопления полей напряжений; развития сейсмического цикла, повторяемости землетрясений, возникновения и динамики сейсмической бреши, сейсмического режима, взаимосвязи сильных землетрясений из разных тектонических структур, последовательностей удаленных и близких иерархически слабых землетрясений – предвестников готовящегося главного очага, а также о происхождении землетрясений, эндогенно-очаговой геодинамики радиально-концентрических структур центрального типа; глубинных разломов на вертикальных, горизонтальных и каркасных поверхностях иерархической системы совокупностей блоков различного ранга; очаговых и поверхностных дилатансионных зон вариаций аномалий геофизических полей.
Научная новизна.
-
Принципиальная научная новизна в решении поставленной проблемы и задач заключается в системном подходе к получению, обработке и комплексному анализу геолого-геофизической и сейсмологической информации на всех уровнях достигнутых современными техническими средствами о возникновении упорядоченных структур и форм движений из первоначально случайных, нерегулируемых. Причем динамическая система очаговых зон готовящихся сильных землетрясений, где это происходит, как целое приобретает свойства, отсутствующие у ее частей. Разработанная методика интерпретации геофизических, в особенности, сейсмических и сейсмологических данных, значительно расширяющая возможности также ретроспективного анализа геодинамических обстановок формирования очагов главных землетрясений и зон их подготовки.
-
В части структурных построений – использование глубинной блоковой модели, в которой отражены особенности, свойственные разномасштабным сейсмоактивным регионам Кавказа, Каспийского моря и прилегающих территорий.
-
В части изучения геодинамической эволюции – учет пространственно-временного комплексного характера и сложных взаимных связей геофизических полей и протекающих динамических процессов.
-
В части детального изучения сейсмической активности – новые методы выявления зон ВОЗ, основанные на характерных закономерностях, выявленных для локальных и региональных зон подготовки Кавказско-Каспийских и других известных землетрясений мира.
-
В части детального исследования характера сейсмического воздействия землетрясений – изучение сейсмического эффекта на типовых грунтах Апшерона в зависимости от положения очаговых областей и генерируемых ими сильных землетрясений.
Основные защищаемые положения.
- Повышена эффективность сейсмических методов и ГСЗ, использованием новых приемов трехкомпонентных наблюдений, анализом волновых и геофизических полей, основанного на современных представлениях о разномасштабности и иерархичности блоков и структуры земной коры, системном подходе и комплексном моделировании геодинамических процессов в областях подготовки сильных землетрясений.
- Разработаны эффективные методы получения сесмогеологических, структурно-скоростных и многокомпонентных блоково-разломных моделей земной коры очаговых зон крупных землетрясений Кавказ-Каспийско-Иранского и других регионов. Осуществлено уточнение форшоковых и афтершоковых сейсморазломных узлов и зон.
- Создана новая физическая прогностическая модель геодинамики единого сейсмоактивного региона, основанная на движенческом взаимодействии блоков земной коры и эффектах их кинематической несовместимости.
- Создана новая методология сейсмологического мониторинга различных пространственно-временных особенностей геофизических процессов, происходящих в очаговой зоне готовящихся сильных землетрясений, включая процессы их подготовки и последействия.
- Построены новые пространственно-временные объемные модели разломно-блоковых структур очаговых зон и модели развития сейсмогеодинамических процессов, предшествующих сильным землетрясениям. Выявлены эффекты самоорганизации сейсмичности, группируемости и взаимосвязи землетрясений. Дан прогноз мест потенциально возможных крупных землетрясений и оценка времен повышенной вероятности их возникновения на примере Кавказско-Иранского региона.
Практическая значимость.
Практическая значимость определена следующими результатами:
- Созданием системы комплексного мониторинга динамики земной коры, включающего сейсмологический анализ последовательностей малых временных изменений скоростей распространения объемных сейсмических волн, изменения режима гидрогеодинамических и геохимических процессов, соотношения глубоких и поверхностных очагов, геодинамической активности грязевых вулканов, группируемости и взаимосвязанности землетрясений существенно повышена вероятность правильного прогноза сильных землетрясений, выявления новых зон ВОЗ, повышения точности карт детального сейсмического районирования.
- Созданием методики многоволновой сейсморазведки повышена точность и надежность поиска и разведки нефтегазовых месторождений.
Реализация результатов.
Все методические и результативные положения диссертации внедрены в геологические, геофизические, сейсмологические и экологические научные производственные государственные учреждения Азербайджана, Грузии, Армении, Ирана, Турции, России, Италии, Японии, Швейцарии, Швеции и других стран на различных этапах ее выполнения. Внедрения осуществлялись по официальному запросу, хоздоговарам, содружеству разных учреждений с руководимой более 20-ти лет автором лабораторией «Исследование очаговых зон землетрясений» и в виде отчетов, методических, результативных рекомендаций, экспертных заключений с приложением построенных масштабных карт, графиков, иногда даже первичной наблюдаемой информации (Бабазаде, 2007). Конкретно реализованы следующие результаты научных исследований:
Методика комплексного изучения глубинных разломов по геофизическим данным и методика дифрагированных волн в ГСЗ и многопризнаковом комплексе геофизических аномалий для моделирования разломов и блоков, а также карта систем глубинных разломов Азербайджана с объяснительной запиской, которая внедрена в практику геологоразведочных работ и геофизических исследований по прогнозу землетрясений, а также при построении моделей коры и верхней мантии Кавказского региона по геофизическим полям (монографический отчет пятилетней работы).
Впервые выделен, оконтуренный и обоснованный блок в консолидированной коре с повышенной скоростью, в плане совпадающий с наиболее приподнятой поверхностью фундамента в пределах Саатлинской локальной аномалии. По материалам сейсмических (ГСЗ, КМВП) исследований было рекомендовано конкретное местоположение сверхглубокой скважины (15км) и осуществлено бурение СГ-1.
Корреляционный метод прогнозирования сейсмической опасности по данным разломов и сейсмичности был широко использован при фундаментальных работах АН Азербайджана, ИФЗ АН СССР и ВНИИГеофизики (отчеты имеются в фондах указанных организаций). Внедрены рекомендации по выделению сейсмологических и сейсмоопасных зон территории Азерб. ССР с целью определения сейсмостойкости объектов гражданского и промышленного строительства, а также в карте сейсмического районирования территории Кавказа, являющейся составной частью карты СР-78 (СНиПII-7-81)).
Сейсмологические исследования станциями «Черепаха» в Шемахинской эпицентральной области принят к внедрению в практику последующих сейсмологических и геофизических работ партий по прогнозу землетрясений.
Результаты опытно-методических специализированных геолого-геофизических работ, вплоть до сейсмологических методов обнаружения изменений скоростей сейсмических волн от взрывов в пределах Исмаиллы-Шемахинской сейсмоактивной зоны по проблеме прогнозирования землетрясений в Азербайджане, выполненных по разработанной и внедренной программе.
В практику сейсмологических работ республиканского центра сейсмологической службы НАНА внедрена разработанная методика получения и использования локальных годографов объемных сейсмических волн на основе математического моделирования характеристик скоростных моделей блоков земной коры с учетом изменчивости параметров осадочного разреза очаговых зон южного склона восточной части Большого Кавказа. В изданиях сборника «Землетрясения Северной Евразии» за последние десятилетия в разделе «Азербайджан» расчеты представленных параметров землетрясений и особенно, глубин гипоцентров также стабильно проводились с использованием годографов «Бабазаде».
На базе развиваемых в работе идей осуществлено официальное руководство и подготовлено пять кандидатов наук. В 2010 г. успешно защищена еще одна диссертация на степень доктора философии на тему: Разработка моделей региональных разломов Каспийского моря по геофизическим аномалиям.
Стал одним из инициаторов создания Национального комитета геофизиков Азербайджана (МГГС), его генеральным секретарем с 1993 г., а также учредителем и Президентом ассоциации Центра сейсмологии и Физики Земли АР с 2002 г., финансовая поддержка которых способствовала обобщению и завершению диссертационной работы. Выполнение работ на разных этапах поддерживалось обществом СССР-Италия, программами АН СССР и Азербайджана, Национальным геофизическим Институтом Рима, грантами JSPS, Института исследований землетрясений Токийского университета , Токио, IASPEI, AСК, OOH, ЮНЕСКО, NATO, МНТЦ, IUGG, CRDF, INTAS, компаниями Швейцарии, Copernicus, GSHAP (программой со стороны Ирана) и других международных и республиканских организаций.
Апробация работы
Результаты отдельных разделов исследований по теме диссертации в разное время докладывались на республиканских семинарах НАНА, на заседаниях МССС и Ученого совета ИФЗ АН СССР и РАН, на ежегодных координационных совещаниях по проблеме «Геофизические поля и строение земной коры и верхней мантии Кавказского региона», на семинарах Национального геофизического института в Монте-Порцио и Римского университета Италии, на семинарах Утсу Института исследований землетрясений Токийского университета Японии.
Результаты исследований были представлены на всесоюзных республиканских российских и международных научных ассамблеях конференциях совещаниях, сессиях, происходивших в период 1977-2006. Наиболее значительные из них опубликованы в различных изданиях мира и приведены в списке публикаций соискателя.
Личный вклад автора.
Основные результаты получены автором лично, а также в соавторстве с коллегами; в этих совместных исследованиях автору принадлежит основная, руководящая роль.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из Введения, 6 глав, заключения приложения и библиографии, включающей 470 наименований
Похожие диссертации на Статические и кинематические основы сейсмической геодинамики очаговых зон землетрясений и пространственно-временного прогнозирования
