ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 62-65
УДК 550.343
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
__w -t
СИЛЬНЫХ КОРОВЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ1
© 2008 г. И. Л. Гуфельд
Институт физики Земли РАН, Москва, 123995 Поступила в редакцию 14.02.2006 г.
Рассмотрены геологические факторы, контролирующие процессы подготовки сильных землетрясений и проявление слабой и сильной сейсмичности. Выделены процессы взаимного смещения блоков литосферы и дегазации. Обсуждаются три сценария развития сейсмотектонических процессов, учитывающих пространственное протекание физико-химических реакций в твердой фазе и флюиде. Подготовка очагов сильных коровых землетрясений связывается с блокировкой границ блоков за счет физико-химических реакций. Рассмотрены возможности прогноза землетрясений и регулирования сейсмического режима.
Многолетний мониторинг сейсмической опасности выявил особенности строения литосферы и протекающих в ней процессов, не имеющих аналогов в практике лабораторного моделирования [10, 13, 15, 16, 19]. К этим особенностям относятся: блоковое строение литосферы и постоянные движения блоков относительно друг друга; воспроизводство очагов сильных землетрясений в одних и тех же местах граничных структур; постоянная трещиноватость среды выше границы Мохоровичича и геологические условия ее поддержания; нахождение геологической среды в условиях предельной энергонасыщенности, причем подготовка сильных землетрясений отражает слабые возмущения упругой энергии в среде; непрерывные изменения параметров среды, описываемые набором гармоник с периодами от часов-суток до многих лет. Из этих фактов следует ряд выводов [5]. Во-первых, непрерывные изменения параметров среды в сейсмоактивных и асей-смичных регионах, отражающие быстрые вариации объемно-напряженного состояния (ОНС), не могут быть связаны с процессами метаморфизма или отражать медленное движение блоков. Во-вторых, слабые вариации энергии в предельно энергонасыщенной и трещиноватой среде в определенных условиях приводят к блокировке границ движущихся блоков, поэтому под очагом сильного землетрясения понимается связанное состояние двух-трех блоков, ограничивающее их перемещение относительно друг друга. В-третьих, сейсмические явления в граничных и внут-риблоковых структурах контролируются непрерывными флуктуациями энергии относительно почти предельного фонового уровня и индуцируются слабыми вариациями ОНС среды. Очевид-
1 Статья печатается в дискуссионном порядке.
ным является и то, что процессы подготовки очагов сильных землетрясений обусловлены не процессами взаимодействия трещин различного ранга, а особенностями взаимодействия блоков. В связи с этим необходимо рассматривать другие действующие факторы, позволяющие понять в комплексе процессы, происходящие в фоновом режиме и в период подготовки очагов сильных землетрясений. Особенности процессов в литосфере, включая природу внутриблоковой и граничной сейсмичности, были рассмотрены с учетом взаимодействий восходящих потоков легких газов (водород и гелий) с твердой фазой литосферы и оценок реакции среды на эти процессы [5]. Однако остаются вопросы, которые требуют отдельного рассмотрения, что позволит выделить приоритеты в оценках сейсмотектонических ситуаций. К ним относятся природа процессов, вызывающих движение блоков относительно друг друга, и роль пространственного масштаба возмущений блочной среды, т.е. масштаба блокировки граничных структур (за счет восходящих потоков легких газов), на развитие сейсмотектонических ситуаций.
Движение каждого из блоков рассматривается на основе процессов структурно-вещественной (физико-химической) трансформации горных пород в зонах взаимодействия верхней мантии и нижней коры, нижней и верхней кор, а также в выше лежащих слоях [2, 11]. Эти процессы связаны с гранитизацией и вертикальной аккрецией вещества и сопровождаются увеличением или уменьшением объема в зависимости от исходного состава. Амплитуда деформации может достигать десяти и более процентов, однако скорость деформирования весьма мала и по порядку величины составляет 5 х 10-10 1/сут (с вычетом влия-
ния метеофакторов). Поэтому эта деформация может оказывать влияние только на уже блокированные в предельно энергонасыщенной среде границы, создавая небольшую дополнительную нагрузку. Одним из важнейших следствий физико-химических преобразований в низах блоков является приобретение средой способности к объемной деформации (тектонического течения или реидной деформации). Объемное деформирование в низах блоков реализуется каждым из блоков вдоль граничных структур. Следовательно, мы должны рассматривать реакцию упругой и жесткой верхней части блочной коры с заблокированными границами на движения в нижней оболочке, испытывающей непрерывные структурно-вещественные преобразования.
Для оценки реальности процессов блокировки граничных структур за счет действия восходящих потоков легких газов необходимо сравнение их действия с величиной предельной деформации крупномасштабных структур, близкое к величине 0.0001. При имплантации в образцы горных материалов водорода и/или гелия в концентрациях, соответствующих реальным в литосфере, деформация структуры достигает величин 0.01-0.06 [7]. Это практически предельная деформация для образцов, но она существенно выше предельных деформаций крупномасштабных структур литосферы. Поэтому можно ожидать, учитывая особенности диффузии водорода и гелия в кристаллических структурах горных материалов, что деформации, близкие к предельным в литосфере, будут достигаться при весьма небольших потоках свободных водорода и гелия. При этом одновременно происходят термические процессы блокировки границ. Восходящая диффузия водорода так же, как и гелия идет по каналу твердое тело -флюид - твердое тело... В твердой фазе водород диффундирует в атомарном виде. При его десорбции и последующих экзотермических реакциях с другими атомами водорода и углеводородами в конечном итоге образуются вода и метан. Эта реакция наиболее интенсивно идет при температурах 400-600°С, т.е. в зонах выше границы Мохоро-вичича, где формируются очаги наиболее сильных землетрясений. Учитывая реальный коэффициент термического расширения среды а ~ 10-5-5 х х 10-6 1/град, предельные деформации литосферы будут достигнуты при повышении температуры всего на ЛТ ~ 10-20° (е = аЛТ, где £ - предельная деформация). Для реализации таких тепловых эффектов концентрация диффундирующего водорода в твердой фазе должна быть около 0.1 см3/кг, что существенно ниже его реальной концентрации в литосфере. Блокировка границ возможна при еще меньшем повышении температуры и деформациях меньше предельных. Реакцией предельно энергонасыщенной среды на эти процессы будут обратимые изменения объема
Кора
Кора
Сейсмотектонические режимы: а - фоновый; б - подготовки очагов сильных коровых землетрясений. 1 -блоки; 2 - границы, по которым происходят смещения блоков; 3 - блокированные границы блоков; 4 -фоновые потоки легких газов; 5 - импульсные потоки легких газов в региональном масштабе, М - граница Мохоровичича.
внутриблочных и граничных структур (расширение - сжатие - расширение.), приводящих к блокировке и разблокировке движения блоков.
Процессы дегазации Земли на современном этапе геологического развития носят слабо переменный характер. На этом фоне проявляются импульсы дегазации (эндогенной активизации [12, 14]) масштабов, от регионального до локального (в пределах нескольких блоков или отдельных граничных структур). Можно говорить о трех сценариях развития сейсмотектонических ситуаций (рисунок). В первом реализуется слабо переменный характер дегазации, все границы разблокированы. Это фоновый режим, движение каждого из блоков напоминает клавишную систему (по аналогии с выражением Л. Лобковского), действие которой обусловлено особенностями реидной деформации в низах каждого из блоков. Во втором сценарии эндогенная импульсная активизация реализуется в масштабах двух-четырех блоков (локальная активизация), при этом блокируется движение только этих блоков относительно друг друга. Соседние блоки продолжают естественный режим движения. Вероятность разблокировки крупномасштабным разрывом одной из границ мала, т.к. наиболее вероятно, что связанные блоки будут двигаться совместно, вызывая возмущения различных полей литосферы. Разблокировка границ будет происходить по мере затухания эндогенной активности и реализации реидной деформации блоков. Третий сценарий: эндогенная импульсная дегазация вызывает блокировку граничных структур в региональном масштабе. Отражением появления пространственно связанной блочной структуры может быть кольцевая сейсмичность, относительное сейсмическое зати-
а
64
ГУФЕЛЬД
шье, миграция очагов слабых землетрясений, локальные возмущения различных параметров среды на расстояниях до г ~ ехрМ (км) от будущих эпицентров (М - магнитуда землетрясения) и активизация дегазации водорода [3, 21]. Поперечные размеры зоны локальных возмущений по "среднесрочным признакам" могли достигать 23 тыс. км [9, 19]. Но эта зона не является областью подготовки конкретного сильного землетрясения, это зона эндогенного возбуждения. Также и наблюдаемые локальные возмущения среды не являются предвестниками конкретного сильного землетрясения, т.к. их положение относительно эпицентров будущих землетрясений случайно в пространстве и времени [20]. Такое возбужденное состояние среды, судя по данным мониторинга [9, 19], может проявляться от месяцев до многих лет. Однако необходимо учитывать неустойчивость пространственно связанной блочной структуры, находящейся под воздействием фоновых силовых полей (приливы, упругие волны близкой и отдаленной сейсмичности, изменения скорости вращения Земли и др.) и реидной деформации блоков при непрерывном изменении физико-химических и физико-механических параметров граничных структур [5].
Следовательно, в реальной пространственно связанной блочной структуре очевидна неопределенность разблокировки места или конкретной граничной структуры так же, как и время этого процесса. Нельзя исключать того, что сделать краткосрочный прогноз места и времени разблокировки о
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.