Введение к работе
Актуальность исследований. Исследования сейсмического режима на активных материковых окраинах Юго-Восточной Азии представляют не только научный, но и огромный практический интерес. Это связано с серией катастрофических землетрясений вблизи островов Суматра, Ява, Тимор, Тайвань, повлекших гибель сотен тысяч человек. Актуальность исследования тектонических процессов, в ходе которых возникают сильные землетрясения, обусловлена необходимостью разработки методов прогнозирования сейсмической опасности. Важной частью исследований в этом направлении является реконструкция и анализ поля тектонических напряжений земной коры сейсмоопасных областей. Создание моделей напряженного состояния литосферы на основе численного тектонофизического моделирования и выявление закономерностей поможет пониманию сложившейся сейсмической обстановки в них, что необходимо для предсказания будущих землетрясений и сейсморайонирования.
На примере Зондской сейсмоактивной области отработана методика построения комплексной тектонофизической модели на основе геолого-геофизических, сейсмических, сейсмологических, гравиметрических данных и расчета параметров напряженно-деформированного состояния с учетом пластических деформаций моделируемой среды и флюидного давления.
В работе представлены результаты моделирования напряжений земной коры вдоль профиля через южную оконечность о.Ниас вкрест основных структур Зондской субдукции и побережья Суматры, секущего южный край очага катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 24.12.2004 г. Аналогичные исследования регионального масщтаба с подобной тщательностью и глубиной для данного района ранее не проводились. Учитывая определенную преемственность строения и сейсмотектонического режима на довольно протяженном участке Зондской дуги, результаты исследования актуальны для развития нового взгляда на сейсмологию и тектонику островов Индонезийского архипелага в целом, так как в ближайшем будущем серия разрушительных землетрясений и цунами в данном регионе продолжится.
Цель исследований - изучение особенности распределения напряжений в районе начала развития катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 24 декабря 2004 г. на основе результатов численного моделирования.
Основные задачи исследований:
1. Создать согласованную модель строения, реологических свойств и/ прочности коры вдоль профиля вкрест Западного фланга Зондской/
з С ,
субдукционной области на основе комплекса сейсмологических, геолого-геофизических и тектонофизических данных.
-
Разработать концепцию для моделирования современного напряженного состояния субдукционных областей регионального масштаба, позволяющую получить наилучшее приближение расчетного напряженного состояния природному объекту.
-
Рассчитать поле напряжений в земной коре на 20-вертикальном профиле вкрест основных тектонических структур Зондской сейсмоактивной области вблизи о. Суматра методами численного моделирования в рамках упруго-пластической реологии литосферы и исследовать соотношения вкладов в общее напряженное состояние от гравитационного напряженного состояния, вызванного существующими плотностными неоднородностями коры и литосферы, а также горизонтальным пододвиганием океанической литосферы под активную континентальную окраину.
4. Изучить изменения напряженного-деформированного состояния
субдукционных областей в результате крупномасштабного хрупкого разрушения
коры - землетрясения.
Численный тектонофизический эксперимент проводился с использованием конечно-элементного вычислительного комплекса UWAY (ИПРИМ РАН). Параллельно исследовалась применимость данного пакета программ для моделирования тектонических структур регионального масштаба.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые на примере конкретной субдукционной структуры в рамках упруго-пластической модели литосферы показана преимущественная роль плотностных неоднородностей в формировании поля современных напряжений в сравнении с напряжениями, создаваемые горизонтальными движениями плит.
-
Разработана концепция моделирования современного напряженного состояния структур регионального масштаба и выполнено развитие подхода выбора реологических параметров геосреды для конечно-элементного моделирования на основе результатов тектонофизической реконструкции природных напряжений и тестовых численных моделей субдукционных областей.
-
Создана геомеханическая модель реологических параметров и поля напряжений для района катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г., согласованная с комплексом существующих геофизических, сейсмологических и тектонофизических данных, дающая адекватное представление о распределении природных напряжений в земной коре и верхней мантии.
4. Впервые для западного фланга Зондской сейсмоактивной области решена задача расчета напряженно-деформированного состояния в упруго-пластической постановке и проведено моделирование разрушения геосреды под воздействием сильных сейсмических событий.
Праісгическая значимость
Определение напряженно-деформированного состояния тектонически-активных участков земной коры чрезвычайно важно для задач оценки сейсмической опасности, а также при проектировании крупных промышленных объектов и мест добычи полезных ископаемых. Проведение мониторинга изменения геомеханических параметров в масштабе реального времени в соответствии с разработанной методикой позволит улучшить прогноз сейсмических событий и уменьшить риск техногенных катастроф.
Разработанная методика тектонофизического моделирования геофизических структур регионального масштаба с использованием сравнения с данным;: с природных напряжениях позволяет получить соответствие механических и прочностных характеристик модельного тела и природного объекта. Применение алгоритма построения начальной модели, определения основных геомеханических параметров, корректировки начального напряженного состояния, а также оценки исчерпываемое полученных результатов позволит без проведения трудоемких рсчетов сложных ЗО-моделей находить в первом приближении характеристики поля напряжений структур регионального (~200-400 км) и субрегионального (-50-100 км) уровня, хорошо соответствующие природным объектам.
Защищаемые научные положения
-
Разработанная модель строения, механических свойств литосферы и поля современных напряжений для профиля вкрест Западного фланга Зондской субдукционной области согласована с сейсмологическими и геофизическими данными, а также с данными тектонофизической реконструкции природных напряжений.
-
Плотностные неоднородности в строении субдукционной области района Суматра-Андаманского землетрясения 2004 г. создают более значительный вклад в поле современных девиаторных напряжений по сравнению с напряжениями, обусловленными горизонтальными движениями океанической плиты.
-
В задачах геодинамики гравитационное напряженное состояние следует рассматривать в качестве начального напряженного состояния, на фоне которого путем последующего нагружения, вызванного движением океанических плит, формируется конечное напряженное состояние. Это
позволяет наиболее корректно учитывать влияние эволюции формирования литосферы субдукционных областей.
4. Для западного фланга Зондской сейсмоактивной области решена задача расчета напряженно-деформированного состояния в упруго-пластической постановке и проведено численное моделирование разрушения геосреды при воздействии сильного сейсмического события.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на 3 российских (Миасс-2006, Москва-2007, Москва -2009) и 3 международных научных конференциях (Воронеж-2006, Львов -2007, Суздаль-2009), а также на 2 открытых семинарах лабораторий 801, 802 и 504 ИФЗ РАН. Результаты частично использованы в отчетах по грантам РФФИ 06-05-64409, 06-05-64410, 09-05-01022,09-05-01023.
Личный вклад диссертанта состоит в разработке концепции построения геомеханической модели геологического объекта регионального масштаба с нетривиальной реологией от построения комплексной геолого-геофизической модели до сравнения результатов расчета характеристик напряженно-деформированного состояния с реальными объектами - источниками сильнейших катастрофических землетрясений. Построение модели, проведение численного моделирования поля напряжений и интерпретация полученных результатов выполнены лично диссертантом.
Публикации. Результаты работы представлены в 10 научных публикациях. Из них 2 - в журналах, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий», рекомендуемых ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 202 страницы машинописного текста, 74 рисунка, 3 таблицы, библиографию из 130 наименований.
Благодарности. Работа выполнена в тесном сотрудничестве с лабораторией тектонофизики ИФЗ РАН, а также коллективом сотрудников ИПРИМ РАН.
Автор глубоко благодарен научному руководителю д.физ.-мат.н. Ю.Л. Ребецкому и заведующему лабораторией гравиинерциальных измерений д.техн.н. В.Н. Конешову за чуткое и грамотное руководство, творческое участие в проведенных исследованиях. Автор особенно признателен д.физ.-мат.н. А.Н. Власову, к.техн.н. М.Г. Мнушкину и к.техн.н. А.В. Михайловой за ценную помощь в осмыслении процесса моделирования тектонофизических объектов. Автору хочется выразить признательность д. геол.-мин.н. Л.А. Сим, к.геол.-мин.н. Ф.ЛЛковлеву, д.физ.-мат.н. О.В. Павленко, к.геол.-мин.н. И.В. Осика и д. геол.-мин.н. Н.Б.Кузнецова за моральную поддержку и помощь в технических вопросах. Автор благодарит член.-корр. РАН В.П. Тубицына, к.физ.-мат.н. А.А. Баранова за консультирование и ценные советы.
