научная статья по теме ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ»

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2013, № 4, с. 40-56

УДК 550.34.042+551.243

ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ЛИТОСФЕРЫ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ

© 2013 г. А. В. Ключевский, В. М. Демьянович, В. И. Джурик

Институт земной коры СО РАН 664033 Иркутск-33, ул. Лермонтова, 128, e-mail: akluchev@crust.irk.ru Поступила в редакцию 02.06.2011 г.

Оценки и сопоставление энергии сейсмотектонических деформаций литосферы Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), определенной по данным о сильных землетрясениях с магнитудой M > 6 за период инструментальных наблюдений (1950—2002 гг.), исторический период продолжительностью 210 лет (1740—1949 гг.) и палеосейсмогеологическим материалам за последние две тысячи лет, указывают на адекватность гипотезы стационарного сейсмического процесса. Расположение максимумов выделенной за исследуемые интервалы времени плотности потока энергии сейсмотектонических деформаций свидетельствует, что основные разрушения литосферы происходили примерно в одних и тех же областях, которые можно соотнести с концентраторами напряжений. Изолинии повышенного уровня плотности потока энергии сейсмотектонических деформаций протягиваются вдоль рифтовых структур с юго-запада на северо-восток Байкальского региона, и это позволяет рассматривать литосферу БРЗ как протяженную зону неоднородной усиленной энергетической разгрузки эндогенных геотектонических процессов. Оценена мощность сейсмотектонических процессов, отражающих сброс эндогенной энергии посредством землетрясений. Выделение областей дефицита энергии сейсмотектонических деформаций литосферы ("энергетических брешей") является важным шагом в рамках долгосрочного решения проблем обеспечения сейсмической безопасности в Байкальском регионе.

DOI: 10.7868/S0203030613030036

ВВЕДЕНИЕ

Как отмечено В.И. Арнольдом [2004, с. 13], "во многих упругих конструкциях при одинаковых внешних нагрузках возможно несколько положений равновесия". Если рассматривать литосферу как упругую деформированную пластину, то, по аналогии, можно ожидать наличие нескольких состояний равновесия и переходов между ними, названных в Байкальском регионе "геодинамическими перестройками" в модели динамики напряжений с бифуркацией трехкратного равновесия [Ключевский, 2007, 2012; ЮуисИ^кп, 2010]. Такие свойства упругой литосферы соответствуют феноменологической модели стационарного сейсмического процесса, когда при постоянном деформировании литосферы Земли регулярно происходят "перестройки структуры среды" и возникают неустойчивые состояния блоков разного иерархического уровня [Садовский и др., 1987]. Поведение системы блоков рассматривается как своего рода "самоорганизация" литосферы, направленная на эффективную диссипацию поступающей эндогенной энергии. Тектонические напряжения в пределах "нагружаемых" блоков распределяются неравномерно, концентрируясь на неоднородностях структур низшей иерархии, а из-за неоднородности поля напряжений деформации также неоднородны и локализуются в кон-

центраторах, поскольку напряжения в этих областях раньше, чем в других областях, достигают предельных значений [Гончаров и др., 2005]. Аналогичным образом изменяется энергетическое состояние среды, а при достижении предельной величины "энергетической прочности" существенно повышается вероятность реализации сильного землетрясения [Ризниченко, Артамонов, 1975]. Установленные свойства деформируемой литосферы Земли позволяют рассматривать ее как открытую самоорганизующуюся в процессе непрерывной подпитки эндогенной энергией и веществом неустойчивую диссипативную систему [Короновский, 2006; Проблемы ..., 1999; Пущаровский, 2005; Садовский и др., 1987; Фундаментальные проблемы ..., 2001; Keilis-Borok, 1990; Sornette et al., 1990]. Строгая математическая модель таких систем не разработана, поскольку полностью детерминированное механическое описание поведения среды, имеющей блоковое неоднородно-иерархическое строение и неустойчивую динамику, является неразрешимой задачей: такие свойства литосферы требуют для своего описания статистических методов и методов нелинейной геодинамики. Поэтому "... представляются естественными предпринятые в некоторых работах попытки связать проявления сейсмичности с такой обобщенной по своей природе

ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ЛИТОСФЕРЫ

41

характеристикой, как энергия" [Садовский и др., 1987, с. 86].

В энергетическом балансе литосферы особую роль играют сейсмотектонические деформации, возникающие из-за неспособности неразрушаю-щих диссипативных процессов релаксировать поступающую эндогенную энергию. Энергию сейсмотектонических деформаций можно оценить по данным о сильных землетрясениях, которые обычно ассоциируются с прерывистыми перемещениями блоков по уже существующим разломам. Полагают [Jackson et al., 1995], что смещения на основном разломе доминируют относительно других разломов и соответствующие им сильные землетрясения на основном разломе происходят квазипериодически. Это приводит к формированию "сейсмических брешей" [Федотов, 1965], которые определяются как районы, где сильные землетрясения в период наблюдений пока не происходили, но где может произойти такое землетрясение как, например, землетрясение 1999 г. в Измире (Турция) [Turcotte, Malamud, 2002]. Смещение вдоль поверхности разлома приводит к диссипации накопленной в среде "сейсмоген-ной" [Ризниченко, 1968] энергии Eo, которая при землетрясении расходуется на создание поверхности разрыва и деформации в его окрестности (энергия сейсмотектонических деформаций ED), частично преобразуется в тепло непосредственно на разрыве (тепловая энергия ET) и рассеивается в виде упругих сейсмических колебаний (сейсмическая энергия E). Используемая для оценки величины землетрясений сейсмическая энергия E составляет небольшую часть Eo (порядка 1% [Николаевский, 1982; Садовский и др., 1987]), а отношение энергий n = E/Eo характеризует "коэффициент сейсмического действия" [Аки, Ричардс, 1983; Ризниченко, 1985]. Для сильных землетрясений Байкальского региона с энергетическим классом КР = 11, 14 и 17 отношение сейсмической энергии к энергии сейсмотектонических деформаций равно E/ED ~ 0.002%, 0.037% и 0.59% соответственно [Ключевский, 2006]. При разрушении образцов неоднородных материалов установлено, что мощность сейсмического процесса самым существенным образом зависит от энергии, подкачиваемой в материал и идущей на его деформацию [Виноградов, 1975]. Эта зависимость имеет линейный вид в широком диапазоне скоростей деформации, указывая, что нормированная во времени и пространстве энергия сейсмотектонических деформаций (т.е. мощность) может быть применена для характеристики эндогенных тектонических процессов. Плотность мощности эндогенных процессов является фундаментальным параметром, задающим функцию источников энергии сейсмического режима в теоретической континуальной модели пространственно-вре-

менного хода энергетики сейсмичности [Ризниченко, 1968].

В настоящей работе сейсмические моменты сильных землетрясений использованы для оценки энергии сейсмотектонических деформаций литосферы Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) по сейсмологическим и сейсмогеологическим данным, полученным за полувековой период инструментальных наблюдений (1950—2002 гг.), исторический период продолжительностью 210 лет (1740—1949 гг.) и палеосейсмогеологическим материалам последних двух тысячелетий. Сопоставление плотности потока энергии сейсмотектонических деформаций, выделенной за различающиеся почти на порядок интервалы времени, позволяет проверить адекватность гипотезы стационарности сейсмического процесса. Мощность сейсмотектонических процессов, равная отношению энергии сейсмотектонических деформаций к длительности наблюдений, дает возможность охарактеризовать интенсивность подпитки литосферы БРЗ эндогенными тектонофизическими источниками. Такой подход к имеющимся данным впервые реализуется нами и ориентирован на понимание и учет основных закономерностей сейсмотектонического деформирования литосферы БРЗ при долгосрочном решении проблем обеспечения сейсмической безопасности в Байкальском регионе.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Работа выполнена по материалам "Каталога землетрясений Прибайкалья", в котором сотрудниками группы сводной обработки сейсмических наблюдений Байкальского филиала ГС СО РАН представлены основные сведения о землетрясениях Байкальского региона (ф = 48°—60° с.ш., X = 96°—122° в.д.). При оценке энергии сейсмотектонических деформаций использованы сильные землетрясения с магнитудой M> 6 за период инструментальных наблюдений (1950—2002 гг.) и исторический период (1740—1949 гг.) [Голенецкий и др., 1993]. Известно [Bonilla, 1988], что минимальная магнитуда землетрясения, при котором возникает поверхностное разломообразование, не менее ML ~ 5 и, следовательно, рассматриваемые нами землетрясения могут создавать сейсмотектонические деформации на поверхности Земли. В период инструментальных наблюдений такие землетрясения регистрировались без пропусков в Байкальском регионе, а ошибки в определении координат эпицентров не превышали 50 км [Голенецкий и др., 1993]. Координаты эпицентров некоторых исторических событий Байкальского региона определены с погрешностью до единиц градусов [Новый каталог ..., 1977] и вполне вероятно, что часть землетрясений исторического пе-

Рис. 1. Карта эпицентров сильных землетрясений Байкальского региона с М> 6, изолиний их плотности и гистограмма распределения количества землетрясений по магнитуде.

1 и 2 — эпицентры сильных землетрясений исторического (1) и инструментального (2) периода (крупные кружки соответствуют землетрясениям с магнитудой М> 7.0, мелкие — 6.0 < М< 7.0), 3 — озера, 4 — впадины (1 — Хубсугульская,

2 — Тункинская, 3 — Южно-Байкальская, 4 — Баргузинская, 5 — Верхнее-Ангарская, 6 — Муйская, 7 — Чарская), 5 — разломы, 6 — шкала изолиний плотности землетрясений.

риода была пропущена. Такая неравноценность качества материала послужила причиной рассмотрения исследуемой сейсмичности раздельно по периодам (инструментальный, исторический) и использования при построении карт плотности крупных квадратн

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.

Показать целиком