ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 12, с. 14-26
УДК 5503406+5512
НАПРЯЖЕНИЯ И СЕЙСМИЧНОСТЬ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ ЭВОЛЮЦИИ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ
© 2007 г. А. В. Ключевский
Институт земной коры СО РАН, г. Иркутск E-mail: akluchev@crust.irk.ru Поступила в редакцию 15.06.2006 г.
В работе представлены результаты изучения напряжений и сейсмичности на современном (инструментальном) этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны, которые хорошо вписываются в рамки теории самоорганизации сложных динамических систем и дают возможность классифицировать некоторые особенности и свойства исследуемой системы сейсмогенеза Байкальского рифта. Применение аппарата теории нелинейных динамических систем для анализа напряжений и сейсмичности позволило сформировать представление о сложной пространственно-временной структуре напряженного состояния литосферы и сейсмичности в регионе. В рамках этого представления распределение сильных землетрясений во времени объясняется бифуркациями (катастрофами) напряжений в литосфере рифтовой зоны. Экстраполяция полученных результатов указывает на возможность катастрофы напряжений в литосфере рифтовой зоны в течение ближайших лет, в результате чего в Байкальском регионе в настоящее время повышается вероятность реализации сильных землетрясений с магнитудой M ~ 7. В качестве сценария эволюции напряжений в литосфере Байкальского рифта предлагается модель с бифуркацией трехкратного равновесия, наиболее близко соответствующая фазовому портрету региональных напряжений.
Байкальская рифтовая зона, сейсмичность, сейсмические моменты землетрясений, напряженное состояние литосферы, сильные землетрясения, нелинейная динамика, аттракторы, бифуркации, фазовые портреты.
PACS: 91.30.Wx
ВВЕДЕНИЕ
Современные теоретические и численные модели сейсмичности рассматривают сейсмогенез как эволюцию сложных динамических систем, имеющих много степеней свободы, и развиваются преимущественно как новая основа для понимания пространственно-временной и энергетической структуры сейсмичности и предсказания сильных землетрясений [Проблемы динамики..., 2001; International., 2002; Проблемы геофизики., 2003; Анализ геодинамических., 2004]. При решении этих задач пятимерное пространство кинематических параметров сейсмичности диагностируется путем совместного анализа моделей и феноменологии: скейлинг, подобие, самоподобие, пространственно-временная корреляция, отклики на возбуждение, предсказуемость на различных масштабах осреднения [Соболев, 2003; Кособоков, Некрасова, 2004; Стаховский, 2004; Смирнов и др., 2005]. Исследование энергетики и динамики естественной сейсмичности в Байкальском регионе подтвердило перспективность такого подхода к изучению сейсмичности [Ключевский, Демьянович, 2004а; Ключевский, 2006;
Ключевский, Зуев, 2006]. Для лучшего понимания взаимосвязи сейсмогенеза с современными геодинамическими процессами и напряженно-деформированным состоянием среды в литосфере Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), пятимерное пространство сейсмичности расширено мерами динамических параметров очагов землетрясений - сейсмическим моментом, радиусом дислокации, смещением по разлому и падением напряжений в очаге [Ключевский, Демьянович, 2002; Klyuchevskii, 2004]. Динамические параметры источников дают возможность анализа современной геодинамики и статистического описания напряженно-деформированного состояния и структуры неоднородностей литосферы в приближении достаточно простой трещинной модели очага Д. Бруна [Brune, 1970] по массиву данных из более 95% от числа землетрясений с энергетическим классом KP > 7, зарегистрированных в Байкальском регионе с 1968 по 1994 гг.
Мониторинг сейсмичности является важным и чувствительным инструментом при изучении сейсмотектонических процессов и работах по прогнозу землетрясений. Так, в соответствии с моде-
лью сейсмического затишья, увеличение средней скорости потока землетрясений в большой области вокруг ожидаемого сильного толчка [Keilis-Borok et al., 1988; Sykes, Jaume, 1990] происходит при уменьшении скорости потока в пределах очаговой зоны землетрясения [Соболев, 1999; Wiem-er, Wyss, 1994]. Совместный анализ сейсмичности и динамических параметров источников показал, что в Байкальском регионе имеются периоды повышения сейсмической активности, а наиболее сильные землетрясения с KP > 14, как правило, происходили вслед за геодинамической активизацией в определенных местах региона и являлись откликами на возбуждение геофизической среды, обусловленное инверсией напряжений при самоорганизации среды в литосфере БРЗ [Ключевский, 2003; 2005]. Это указывает на обусловленность сейсмогенеза геодинамическими явлениями различной природы, вызвавшими изменения напряженно-деформированного состояния среды. Напряженно-деформированное состояние среды в литосфере в БрЗ неоднородно и наблюдается временная несогласованность темпов формирования типов подвижек в очагах слабых (KP = 7-8) и более сильных землетрясений KP > 9, что свидетельствует градиентах напряженно-деформированного состояния среды [Ключевский, Демьянович, 20046; 2006 а; б]. Характерной особенностью временных изменений является постепенное увеличение и резкое, почти импульсное, уменьшение вертикальной компоненты поля напряжений SV. В "особых точках" литосферы выявлены структуры-аттракторы рифтогенеза, где локализуются зоны доминирования SV и толчки разных энергетических классов имеют преобладающе сбросовый тип подвижки в очаге. Полученные результаты хорошо вписываются в рамки синергетики открытых неустойчивых диссипативных систем и дают возможность объяснения основных наблюдаемых вариаций напряженно-деформированного состояния среды пространственно-временными изменениями вертикальной компоненты напряжений SV, что свидетельствует о существенной роли риф-тинга в сейсмогенезе литосферы БРЗ. Эмер-джентное поведение литосферы БРЗ характерно для сложных самоорганизующихся неустойчивых диссипативных систем, а поскольку подобные геофизические процессы наблюдались квазисин-хронно в зонах трех разнесенных в пространстве структур-аттракторов рифтогенеза, то Байкальский рифт классифицируется как пространственно-временная открытая самоорганизующаяся система [Ключевский, 2003; 2005].
Такая классификация предполагает возможность применения методов системного анализа напряжений и сейсмичности с целью поиска моделей, уравнений, параметров и характеристик, описывающих современные тектонофизические процессы в литосфере БРЗ. В настоящей работе сей-
смичность Байкальского рифта и трех входящих в него районов проанализирована в свете современных представлений о динамике диссипативных систем. Эти крупные геологические области следует рассматривать как два соседних уровня иерархии неоднородностей литосферы [Садовский, 1979]. Разделение территории на три района дает возможность проверки подобия структуры и динамики напряжений на разных пространственных уровнях и исследования эффектов временной синхронизации пространственно разделенных аттракторов. Характер поведения напряжений диагностируется путем наблюдений над параметрами в фазовых пространствах, описывающих напряженное состояние в литосфере БРЗ с 1968 по 1994 гг. Имеющиеся материалы дают возможность диагностики системы сейсмогенеза в более широких временных рамках 1964-2002 гг.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Первичные фактические материалы взяты из отчетов "Бюллетень землетрясений Прибайкалья" и "Каталог землетрясений Прибайкалья", в которых собраны основные сведения о землетрясениях Байкальского региона. Эти отчеты подготовлены сотрудниками группы сводной обработки сейсмических наблюдений Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедиции. На рис. 1 приведена карта эпицентров землетрясений Байкальского региона (ф = 48°-60° с.ш., X = = 96°-122° в.д.), на которой представлены данные инструментальных наблюдений с 1964 по 2002 гг. (п = 42552), когда в БРЗ без существенных пропусков регистрировались толчки с энергетическим классом КР > 8. На рис. 1 видно, что эпицентры землетрясений концентрируются в виде полос преимущественно северо-восточной и субширотной ориентировки. Локальные группы повышенной плотности эпицентров землетрясений формируются, как правило, в результате афтершоковой и роевой деятельности. Сопредельные территории, окружающие рифтовую зону, по сейсмичности существенно отличаются от БРЗ, и на карте эпицентров землетрясений отчетливо выделяется высокосейсмичная рифтовая зона, ограниченная почти асейсмичной Сибирской платформой и слабосейсмичным Забайкальем. На вставке (рис. 1а) показано распределение годовых чисел N землетрясений с КР > 8 в Байкальском регионе и трех входящих в него районах - на юго-западном (1 район, ф = 48.0°-54.0° с.ш., X = 96.0°-104.0° в.д.) и северо-восточном (3 район, ф = 54.0°-60.0° с.ш., X = 109.0°-122.0° в.д.) флангах и в центральной части БРЗ (2 район, ф = 51.0°-54.0° с.ш., X = 104.0°-113.0° в.д.). На вставке видно, что основная масса землетрясений происходит в третьем районе. Основные максимумы годовых чисел толчков
е
з
К
>
М
Й 8
1 2
2 о о --л
108
Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений Байкальского региона с Кр > 8 за 1964-2002 гг.
1 - разломы, 2 - впадины, 3 - озера, 4 - базальты, 5 - номера и границы районов, 6 - энергетический класс Кр по шкале Т.Г. Раутиан и эпицентры сильных землетрясений с магнитудой М > 6. На врезке А показано распределение годовых чисел N представительных землетрясений с Кр > 8 Байкальского региона и трех районов.
Я
Й ^
и ю о я
к »
выделяются в первом районе в 1991-1992 гг., а также во втором и третьем районах в 1999 г., и обусловлены афтершоками Бусийнгольского (27.12.1991; Kp = 16.2; ф = 50.98° с.ш., X = 98.08° в.д.), Южно-Байкальского (25.02.1999; Kp = 14.6; ф = = 51.64° с.ш., X = 104.82° в.д.) и Кичерского (21.03.1999; Kp = 14.5; ф = 55.83° с.ш., X = 110.34° в.д.) землетрясений.
Теоретические и натурные исследования по физике очага землетрясения показали, что сейсмический момент тектонического землетрясения зависит от типа подвижки по разлому [Лев-шин, Грудева, 1974; Аптикаев, Копничев, 1979; Копничев, Шпилькер, 1980].
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.