ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 46-61
УДК 550.34.06+551.2
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЛИТОСФЕРЫ И СЕЙСМИЧНОСТЬ В ЗОНЕ БЕЛИНО-БУСИЙНГОЛЬСКОГО РАЗЛОМА (ЮЖНОЕ ПРИБАЙКАЛЬЕ)
© 2008 г. В. М. Демьянович, А. В. Ключевский, Е. Н. Черных
Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033 Поступила в редакцию 15.06.2006 г.
Выполнен пространственно-временной анализ напряженно-деформированного состояния литосферы и сейсмичности в зоне Белино-Бусийнгольского разлома на юго-западном фланге Байкальской рифтовой зоны (БРЗ). Установлено, что эпицентры сильных землетрясений тяготели к линии сме-стителя на земной поверхности, а в осевой зоне шириной ±15 км произошло более 90% сейсмотектонических деформаций и падений напряжения, обусловленных в основном слабыми толчками. Несоответствие простой картины сейсмичности и сложной пространственно-временной структурированности напряженно-деформированного состояния среды объясняется доминантным влиянием сильных землетрясений 1974, 1976 и 1991 годов и их афтершоковых серий толчков, которые существенно упростили формализованное описание сейсмичности. Напряженно-деформированное состояние среды в зоне разлома неоднородно и неустойчиво. Наблюдаемое несоответствие пространственно-временного формирования различных типов подвижек в очагах слабых и более сильных землетрясений обусловлено, вероятно, различным откликом разномасштабных деструктивных элементов разломной зоны на изменение напряжений. Динамика поля напряжений в зоне разлома хорошо корреспондирует с вариациями напряжений в литосфере Южного Прибайкалья и БРЗ, однако в конце 1960-х годов отмечается влияние сдвиговых деформаций Алтая и Западной Монголии.
ВВЕДЕНИЕ
Внимание многих исследователей внутреннего строения и эволюции литосферы Земли сконцентрировано на изучении разломных зон потому, что основные деформации земной коры обусловлены движением в довольно широких зонах дина-мометаморфизма, метасоматоза и полидиафторе-за, именуемых также разломными зонами сдвига в широком понимании этого термина. А.В. Пейве [27] дал определение глубинного разлома, основными признаками которого являются длительное развитие и большие размеры, а также закономерное внутреннее строение, определяющее характер протекания целого комплекса сопутствующих разрывообразованию процессов и явлений. К настоящему времени существенный прогресс достигнут в изучении преобразования вещества и флюидного режима в зонах разломов [22, 26, 34, 37, 47]. Структурные исследования - выявление специфических свойств и закономерностей расположения элементов в зонах разломов и их эволюции под воздействием полей напряжений - нашли отражение в [2, 28, 31, 33, 35]. В этих исследованиях показано, что основные структурные элементы в разломных зонах создаются в результате пластических и дизъюнктивных деформаций. При внешнем силовом воздействии в нагруженном объеме возникает зона локализованной деформации, где развиваются вначале пликатив-
ные, а затем дизъюнктивные структурные элементы. Эволюция зоны происходит путем объединения мелких дислокаций, появившихся на ранних этапах разрывообразования, в более крупные, которые затем также соединяются друг с другом, увеличиваются в размерах и в конечном итоге формируют единый сместитель (магистральный разрыв), полностью рассекающий весь деформируемый объем.
Как отмечено Б.В. Костровым [19], тектоническое землетрясение всегда связано с неустойчивостью деформации материала Земли, причем деформации стремятся сконцентрироваться в узких зонах, которые формально неотличимы от поверхностей разрыва на разломе. Следовательно, определение очага землетрясения как разрыва сплошности материала Земли, возникающего под действием сдвиговых упругих напряжений, накопленных в процессе тектонической деформации, позволяет корреспондировать сейсмические события с хрупкими разрушениями литосферы в зонах разломов. В физической мезомехани-ке экспериментально показано, что развитие полос макролокализации пластической деформации через все сечение образца является необходимым условием зарождения и распространения трещины [24]. В современном представлении раз-ломообразование и землетрясения являются разномасштабными свойствами одной динамической системы - разломной зоны сдвига [46]. Простран-
ственная приуроченность землетрясений к зонам разломов, отмечаемая во множестве исследований, сыграла главную роль на начальном этапе развития глобальной тектоники плит [42]. Распределение эпицентров землетрясений использовалось для картирования границ между литосфер-ными плитами, а фокальные механизмы дали информацию о движениях по отдельным разломам. Однако распределение эпицентров землетрясений на поверхности континентов часто наблюдается в виде достаточно широких полос, что указывает, очевидно, на повышенное деформирование и неоднородное реологическое состояние некоторых объемов литосферы, окружающих разломы.
По масштабу развития и протяженности в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ) выделяются генеральные (длина Ь > 80 км), региональные (Ь = 3480 км) и локальные (Ь < 35 км) разломы [35]. В вертикальном разрезе коры до глубин 20 км формируются все генетические типы разломов -сбросы, сдвиги, взбросы и надвиги, но в условиях сжатия уровни перехода гипсометрически выше, чем при других типах напряженного состояния среды. Генеральные разломы в БРЗ представляют собой глубинные структуры с ярко выраженной кайнозойской активизацией и кулисным строением. Они имеют преобладающее северовосточное и субширотное простирание и играют роль структур, определяющих ориентировку отдельных звеньев рифтовой системы и ее наиболее крупных впадин. Этот уровень иерархии не-однородностей литосферы БРЗ подтвержден исследованиями сейсмичности, которые показали, что в целом для юго-западного и северо-восточного флангов характерна субширотная направленность современной деструкции литосферы, а в центральной части системы доминируют северовосточные направления активных разломных структур [36]. В процессе рифтогенеза генеральные разломы контролировали положение впадин и функционировали как сдвиго-сбросы. Сдвиговая кинематика свойственна практически всем генеральным разломам, хотя проявлена не в одинаковой мере.
Региональные разломы образуют очень большую группу разломов, в которой доминируют сбросы, ориентированные согласно общему простиранию БРЗ. Часть поперечных к рифтовой зоне региональных разломов - более молодые образования, развивающиеся благодаря процессам кайнозойской активизации и рифтогенеза. Поперечные разломы по генетическому типу представлены преимущественно сбросо-сдвигами и сбросами. Глубина проникновения региональных разломов соизмерима с мощностью земной коры, а преобладающие простирания - северо-восточное, субширотное и субмеридиональное. Региональные разломы предопределяют положение отдельных впадин и их конфигурацию, тяготея к
внутри- и межвпадинным перемычкам. Локальные разломы, преимущественно кайнозойского возраста заложения, определяют внутреннюю структуру впадин и перемычек.
В последнее десятилетие широкое развитие получило описание литосферы в терминах блочной иерархической нелинейной диссипативной системы, эволюционирующей с изменением реологии среды в поле тектонических напряжений. В этом представлении термин "деструкция" характеризует хрупко-пластическую деформацию как процесс разрушения среды под действием напряжений, а элементы литосферы рассматриваются как синергетические фрактальные системы, обладающие свойствами самоорганизации, иерархичности и самоподобия. Особенности пространственного расположения деструктивных элементов литосферы БРЗ находят отражение в различных характеристиках сейсмичности - в эпицентраль-ном поле, в распределении сейсмических моментов и сброшенных напряжений, а также в напряженно-деформированном состоянии (НДС) земной коры [7, 23, 41, 44, 49]. Такое сложное пространственное расположение деструктивных элементов даже в однородном стационарном поле напряжений может сформировать неоднородное НДС среды, и результаты наблюдений будут осложнены локальными "помехами", искажающими представление о приложенных силах [50]. Интерференция полей напряжений неизбежна в стесненных условиях геологической среды, когда деформации осуществляются на различных структурных уровнях по схеме "сдвиг + поворот", а закон структурной самоорганизации среды имеет вид = j rot J = 0, где J - поток дефектов на г'-ом
масштабном уровне [25]. Неоднородное НДС литосферы находит отражение как в разломных зонах сжатия, где процентное соотношение механизмов очагов сильных землетрясений соответствует примерно 62/22/16 (сжатие/сдвиг/растяжение), так и в зонах растяжения - 3/19/78 и сдвига - 3/78/19 [31]. Неопределенности в анализе НДС литосферы еще более усилятся, если поле напряжений изменяется во времени и формируется суперпозицией нескольких энергетических источников. Чтобы корректно оценить НДС литосферы и его вариации, необходимо минимизировать пространственную неоднородность среды, что, как предполагалось, можно достичь при анализе НДС среды в зоне влияния одного разлома. При изучении этой проблемы нами было выполнено пространственно-временное исследование сейсмичности и НДС среды в зонах 6 активных разломов Южного Прибайкалья и Северной Монголии [5]. В результате проведенных исследований были отмечены некоторые общие характерные свойства разломов, однако в целом мы пришли к выводу, что каждая разломная зона в силу своей многокомпонентной,
гетерогенной и нелинейной суперпозиционной природы представляет отдельный объект изучения, требующий выполнения детальных геолого-геофизических исследований.
В данной работе методами очаговой сейсмологии выполнен пространственно-временной анализ НДС литосферы и сейсмичности в зоне Белино-Бу-сийнгольского (ББ) разлома, предопределяющего положение Белинской и Бусийнгольской рифтовых впадин на юго-западном фланге БРЗ. Решение этой фундаментальной геолого-геофизической задачи имеет важное прикладное значение - прогноз сейсмических и других воздействий в локально неустойчивых средах с изменяющейся реологией. В Монголо-Сибирском регионе актуальност
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.