ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 464, № 6, с. 716-721
= ГЕОФИЗИКА =
УДК 550.348
БЕЗБАРЬЕРНЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС В ЗОНЕ СУБДУКЦИИ
И ПРИНЦИПЫ ЕГО МОНИТОРИНГА
© 2015 г. И. Л. Гуфельд, О. Н. Новоселов
Представлено академиком РАН В.В. Адушкиным 14.10.2014 г.
Поступило 16.10.2014 г.
Обсуждается физика сейсмического процесса в зоне субдукции на примере Камчатского региона. Сейсмический процесс не связывается с трещинообразованием или разрывами. Водородная дегазация контролирует вариации объемно-напряженного состояния геологической среды и параметры граничных структур, такие как аморфизация, текстурированность и деструкция. Динамические процессы, быстрые и медленные, контролируются структурой среды и параметрами границ и возбуждаются деформационными автоволнами, связанными с обратимыми структурными преобразованиями среды при восходящей диффузии водорода. Сейсмические процессы связаны с быстрым или медленным нарушением аккомодации элементов среды относительно друг друга. За счет свойств границ этот процесс протекает безбарьерно и имеет черты сверхпластичности. Предложены методы мониторинга сред с активными внутренними источниками энергии. Использованы разностные уравнения эволюции состояния системы, построенные и корректируемые по результатам измерений структурно чувствительных параметров, а именно, скоростей сейсмических волн. Уравнение эволюции состояния системы, построенное в таких измерениях, отражает эффекты взаимодействия объекта со средой. Результатом исследований является мониторинг фонового состояния геологической среды, позволяющий прогнозировать малую вероятность сильнейших событий в контролируемый период.
Б01: 10.7868/80869565215300180
Прогноз сильнейших коровых сейсмических явлений остается актуальной проблемой. Существующие методы мониторинга неэффективны. В то же время внимание к исследованиям текто-нофизики сейсмических процессов в последние годы было явно недостаточным.
В работе рассмотрены природа сейсмотектонического процесса, учитывающая структуру среды и влияние на нее водородной дегазации, и подходы к прогнозированию фонового режима сейсмофокальной зоны Камчатского региона в качестве первого шага в возможном прогнозе краткосрочных периодов сильнейших сейсмических явлений в зонах субдукции.
В настоящее время превалируют чисто механические подходы к проблеме физики сейсмического процесса. Если связывать сейсмический процесс с непрерывным разрушением, то среда давно бы превратилась в "песок" [1]. Но этого не происходит. В фоновый период идет непрерыв-
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук, Москва E-mail: igufeld@korolev-net.ru Московский государственный университет леса, Мытищи Московской обл.
ная сейсмичность слабой и средней силы, которая, так же как и "форшоки", не снимает "декларируемое" накопление тектонических напряжений перед сильнейшими событиями. Что представляет собой сама сейсмичность, сейсмические явления, которые не являются "разрывами"? Заметим, что литостатическая нагрузка, достигающая на глубинах 6—8 км предела упругости, не позволяет говорить о какой-либо разгрузке среды после событий любой силы. В подвижной разломно-блоковой структуре литосферы, так же как и в сейсмофокальной зоне Камчатки, выше границы Мохо среда (блоки) поддерживается в трещиноватом состоянии за счет действия литостатического давления и флюида [2] и формирования связанной трещинами пористой структуры, являющейся следствием процессов взаимодействия восходящих потоков водорода и гелия с твердой фазой [3]. В разрушенной среде имеется множество граничных структур, вдоль которых возможно скольжение элементов относительно друг друга. В то же время среда в естественном состоянии находится на предельном по упругой энергии уровне [2—4]. Более высокий уровень действующих в трещиноватой среде напряжений уже на малых масштабах невозможен.
a
7 I-
-4 -3-2-1 0 1 b
Рис. 1. Три области поля решений уравнения (1). Точка в кружке - фактическое состояние среды. Белое поле - расходящиеся решения (распадное состояние среды); реально рассматриваются четыре градации уровня распадности в пределах 0-1. Поле черного цвета показывает области несходящихся решений - псевдошумовых и периодических (неустойчивое состояние среды). Различные оттенки серого цвета - области сходящихся решений, т.е. устойчивые состояния среды. Градации интенсивности серого цвета могут отражать четыре уровня устойчивости системы в пределах 0-1. На рисунке уровень устойчивости системы 0.8.
Однако наблюдаются непрерывные слабые и разномасштабные вариации объемно-напряженного состояния (ОНС) среды и "сейсмичность", сопровождаемые движениями в среде. На непрерывные и разномасштабные вариации объема элементов среды указывают также изменения структурно--чувствительных параметров скоростей сейсмических волн (продольных Ур и поперечных V), отражающие колебательный режим движений [5].
Непрерывные и разномасштабные вариации ОНС литосферы, в том числе на разных глубинах, связаны с процессами взаимодействия восходящих потоков водорода (также гелия) с твердой фазой среды, при которых изменяются параметры кристаллической структуры и соответственно объем элементов среды [5, 6]. За счет восходящих потоков легких газов мы имеем среду с внутренними источниками энергии. "Сейсмичность" различного уровня может быть связана с разномасштабными колебаниями ОНС как следствие
изменения объема различных связанных элементов среды и индуцированием движений (сейсмичности различного уровня) вдоль граничных или готовых разрывных структур. Мониторинг таких объектов, не имеющих четких границ, и неконтролируемых прямо взаимодействий внутри системы и с внешней "средой" требует других подходов, ранее не используемых в сейсмологии.
Для идентификации колебательного режима динамической системы с внутренними источниками и его влияния на особенности сейсмичности будем использовать измеряемые параметры, характеризующие систему—объект, а их анализ описывать на основе аналитического уравнения эволюции состояния объекта [7]. Качественную оценку состояния объекта дополним количественной в виде поля решений уравнения эволюции. Также реализуем новый критерий обнаружения закономерностей функционирования динамического объекта на основе атласа диаграмм Пуанкаре [7]. Это позволяет различать в зоне суб-
дукции колебательные периоды возможной сейсмической активизации и фоновых процессов.
Описание функционирования динамической системы во времени осуществляется на основе анализа решений разностного уравнения второй степени и второго порядка [7—9]:
*к + 2 = а0 + ахк + !+ Ьхк + ех2к+1 + йх\, (1)
где х — текущие значения контролируемого параметра (использовались параметры Ур/У,, [10] или К — класс сейсмического события), а0 — коэффициент баланса воздействий с размерностью измеряемого параметра. Коэффициенты а и Ь при первых степенях — параметры функционирования системы, определяющие тип ее колебательного поведения. Они характеризуют устойчивость или неустойчивость функционирования системы, определяемых в безразмерных координатах а и Ь областью сходящихся (ОСР) или не сходящихся решений. Однако нам необходимо учитывать и расходящиеся решения. В целом три типа решений отражают устойчивое, неустойчивое и рас-падное (катастрофическое) состояния системы. Координаты точек состояния среды а и Ь (это черная точка в кружке на рис. 1) при устойчивом динамическом режиме лежат в ОСР, а при неустойчивом и распадном — вне ОСР (рис. 1). Причем при распадном состоянии ОСР часто вообще отсутствовала. Несходящиеся решения отражают также хаотические последовательности данных, характерные, как известно, только для нелинейных систем. Коэффициенты с и А при квадратичных членах (1) контролируют энергетические процессы, связанные с воздействиями или сбросом энергии средой. В представленной работе их учет носит вспомогательный характер. Заметим только, что при анализе данных сейсмофокаль-ной зоны Камчатского региона значений (с + А) = = 0, с = 0 или А = 0 не было.
В связи с этим проводился анализ системы в конкретном текущем состоянии, т.е. ход последовательности контролируемого параметра, генерируемой уравнением системы, и диаграмма Пуанкаре этой последовательности. Напомним, что диаграмма Пуанкаре представляет собой точечное множество ряда значений измеряемых (рассчитанных) величин, где ординатой является №е значение последовательности, а абсциссой — предшествующее значение N — 1). Точечное множество образует фигуру, по виду которой определяется тип последовательности, а отсюда и состояние объекта. Диаграммы Пуанкаре позволяют качественно показать сложную динамику состояния среды и ее отдельных элементов. Рассматриваются совместно особенности колебательного режима и картина визуализации колебательного процесса, т.е. диаграмма Пуанкаре для данного периода. Покажем характерные примеры различных состояний по данным Камчатского региона.
Устойчивое состояние среды. На рис. 2а приведен пример одной из последовательностей. В различные периоды времени последовательности могут иметь одну или более колебательных компонент. Эти последовательности описываются одним уравнением, но с разными параметрами состояния (коэффициентами а, Ь). Полагаем, что процессы с одной, пятью и более колебательными компонентами (рис. 2) управляются одним более сильным процессом. Режим с одной колебательной компонентой для выбранного периода времени относится ко всей зоне, а одновременные колебательные компоненты — к разным областям зоны мониторинга. С увеличением числа областей, участвующих в общем колебательном синхронном процессе, уровень устойчивости уменьшается. Совместное рассмотрение типа этих последовательностей и диаграмм Пуанкаре (рис. 2б, в) позволяет однозначно определить состояние системы. Например, на рис. 2а, б, последовательность сходится к одной величине.
Заметим, что устойчивость системы (среды) отражает весьма важное ее состояние, при котором сложнейшая по распределенным в объеме различным параметрам система становится управляемой действующими процессами на определенный период, и при этом блокируются процессы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.