ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 5, с. 436-442
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 551.24:550.34
СЕЙСМОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕВЕРА ЕВРАЗИИ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ КРУПНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
© 2008 г. Ю. Г. Кутинов, Т. Я. Беленович
Институт экологических проблем Севера УрО РАН Поступила в редакцию 22.05.2006 г.
После исправления 05.02.2007 г.
В работе рассмотрен и проанализирован комплекс геодинамических исследований Евроазиатской литосферой плиты в контексте с новейшей и современной геодинамикой Арктического сегмента в целом, что позволило сделать вывод о сложном пространственном взаимодействии геодинамических процессов различных рангов, формирующих нелинейную структуру напряженно-деформированного состояния земной коры, где взаимодействие блоков реализуется в условиях стесненных вращательных движений, что необходимо учитывать при размещении крупных инженерных сооружений (нефте- и газопроводов). На основе данных о фокальных механизмах очагов землетрясений и определения векторов скольжения горных масс выделены полюс Эйлера в пределах Срединно-Арктического хребта и четыре региональные зоны на территории севера Евроазиатской плиты, в пределах которых преобладают левосторонние вращения: район о. Шпицберген; морфоструктур-ный узел сочленения Беломорского геоблока и Балтийско-Мезенской трансблоковой зоны; Полю-довское поднятие; Лаптевоморский шельф.
Север России - это высокоширотная часть территории с крупнейшими ресурсами минерального сырья и уязвимой природной средой, характерная особенность социально-экономического развития которого - его природно-ресурсная специализация (почти 80% запасов всех полезных ископаемых страны). Здесь добывается почти 100% алмазов, платиноидов, кобальта; более 90% природного газа; 90% меди, никеля и апатитов; 75% нефти и газового конденсата; более 60% золота.
В соответствии с макроэкономическими прогнозами развития Российской Федерации в период до 2025 г. добыча нефти вырастет в 1.6 раза, а добыча газа - в 1.24 раза. Прогнозируется выход нефтяной промышленности в новые регионы Северо-Западного федерального округа (ФО), Восточной Сибири и Дальнего Востока. К 2010 г. объем добычи нефти в Северо-Западном ФО возрастет в 2.2 раза, в Сибирском и Дальневосточном ФО - в 2.1 и 3.6 раза соответственно при росте добычи нефти в целом по России в 1.4 раза. Аналогичная динамика будет характерна и для газовой промышленности. В результате потребуется развитие трубопроводного транспорта, включающее в себя не только реконструкцию существующих сетей, но и создание новых трубопроводных систем и терминалов на шельфе арктических морей и в устьях северных рек, что уже происходит [5].
С развитием российской экономики роль северных территорий будет возрастать в связи с тем, что на их территории располагается практи-
чески вся сырьевая база для промышленного развития страны, что с неизбежностью будет вызывать кризисные экологические ситуации.
Для рационального освоения нефтегазового потенциала северных территорий необходимы знания и разработка геодинамической модели земной коры и литосферы как основы для планирования размещения крупных инженерных сооружений. Это позволит выявить сейсмически активные структуры, прогнозировать и избежать аварий при эксплуатации нефтегазовых месторождений и сопутствующей инфраструктуры. В связи с этим учет перемещений поверхности Земли на границах плит и блоков - одна из актуальных задач при проектировании и строительстве нефте- и газопроводов, разрушение которых может привести к неблагоприятным экологическим последствиям.
РАСЧЕТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПРОЕКЦИИ ВЕКТОРА СКОЛЬЖЕНИЯ
Для оценки геодинамического режима предлагается введение в сейсмологическую практику оригинальной авторской разработки по расчету векторов скольжения горных масс, определение каждого из которых основано на использовании данных о фокальных механизмах очагов землетрясений, что позволяет получать новые представления о напряженно-деформируемом состоянии земной коры [8]. Методика расчета была внедрена в Институте литосферы РАН (акт внедрения № 3 от 5 декабря 1990 г.) и защищена в док-
торской диссертации в МГУ в 1992 г. [8]. Суть метода заключается в следующем.
Процесс вспарывания разломов в земной коре при землетрясениях, определяемый в результате изучения механизмов их очагов, характеризуется направлением и амплитудой перемещения плоскостей разрывов, выраженных вектором смещения Pi (x, y, z) в декартовой системе координат. Вектор смещения с составляющими Pix, Piy, Piz отражает среднее направление в перемещении плоскостей разрывов. В каждом конкретном очаге землетрясения с учетом его типа (сдвиг, взброс, сброс) будут задействованы попарно только две составляющие из трех, например при сдвиге Pix и Piy и т. д. При условии, что в очагах землетрясений происходят подвижки по обеим плоскостям одновременно, максимальное смещение горных масс будет совпадать с положением результирующего вектора Рщ = Jp2,x + P2ty.
Отметим, что подвижки, происходящие одновременно по двум плоскостям разрыва, описаны в литературе, посвященной изучению реальных землетрясений на территории бывшего СССР и за рубежом [7, 12, 17 и др.].
Для преодоления неоднозначности в выборе истинной плоскости разрыва в очаге американские ученые Сайкс, Мак-Кензи, Паркер [21, 22] предложили использовать горизонтальную проекцию вектора скольжения горных масс в очагах землетрясений, равную Uh = U1 - (U1az)az, где U1 -единичный вектор нормали к вспомогательной плоскости, az - единичный вектор в направлении вертикали. Равенство справедливо, если вектор скольжения в плоскости разрыва параллелен U1, тогда простирание Uh можно найти прибавлением 90° к простиранию вспомогательной плоскости. Если плоскость вертикальна, то простирание Uh совпадает с простиранием плоскости разрыва, в других случаях простирания Uh плоскости разрыва в горизонтальной плоскости различаются.
Простирание нодальной плоскости в горизонтальной проекции, как известно, находится путем измерения дуги окружности радиуса равного 1, отсчитываемой по часовой стрелке от направления на север. Простирание Uh получается прибавлением 90° к простиранию вспомогательной плоскости. При сдвиговом решении окружность разделена на четыре квадранта и движение вдоль нодальной плоскости переходит из квадранта растяжения в квадрант сжатия. В случае сброса в центре окружности располагается овал, соответствующий квадранту волн растяжения, при взбросе - квадранту волн сжатия. В этих случаях неоднозначности в выборе плоскости разрыва не существует, так как обе нодальные плоскости имеют почти одинаковое простирание (разброс в азимутах простирания не должен превышать 20°).
Тогда горизонтальная проекция вектора скольжения рассчитывается по формуле Я =
= 2 sin
1(90° - e0)
, где e - угол падения с гори-
зонтом одной из плоскостей разрыва. Для сопоставления результатов, полученных различными способами, было рассмотрено более 100 землетрясений, для которых рассчитывались Рху и Я.
Разброс 5 А0 в азимутах простирания векторов у 50 землетрясений из 100 составил от 0 до 5°, т.е. векторы практически совпали, у 20 - до 10°. Впервые метод был применен Сайксом [22] в тектонике плит. Оказалось, что определение векторов -довольно эффективный способ выявления направления относительного движения между плитами.
Настоящие исследования выполнены на основе комплекса экспериментальных и расчетных методов с элементами тензорного анализа и расчетных формул механики трещиноватых сред. Полученные результаты базируются на анализе сейсмичности, фокальных механизмов очагов землетрясений, направлениях векторов скольжения горных масс и данных вРБ-станций.
Для получения представлений о современных геодинамических процессах в земной коре и литосфере весьма эффективно применение данных о фокальных механизмах очагов землетрясений и на их основе определение векторов скольжения горных масс. В настоящих исследованиях авторы использовали при расчетах векторов скольжения горных масс в очагах землетрясений отмеченные выше формулы и ограничения. В связи с этим из работ [1-4, 6, 8, 13-16], в которых представлены данные (каталоги) механизмов очагов, проводилась выборка тех землетрясений с магнитудой М > 5.0 за период 1964-1991 гг., для которых были приемлемы указанные ранее ограничения. Геодинамический режим, на наш взгляд, необходимо рассматривать на трех взаимоувязанных уровнях: глобальном, региональном и локальном. И только на основе его комплексного системного анализа на перечисленных уровнях можно создать корректную геодинамическую модель земной коры Севера Евразии, поэтому при использовании данных о фокальных механизмах очагов землетрясений и определений векторов скольжения горных масс, авторы придерживались этого вывода.
Таким образом, для северной границы Евроазиатской литосферной плиты из 36 определений механизмов очагов землетрясений в работе использованы только 23 землетрясения, параметры которых соответствуют перечисленным выше
требованиям (М > 5.0 и А0 < 20°). Для южной границы использованы соответственно 25 из 40 зем-
САП
СЛО
\ £ 4 ^ /Ч
VV
4 /\Ш> *
ii
\
г
\ Г
.2 3
ЕАП
\
3
О
**, ■ н
*r. t '
И" ' Н I Ч
0
CS*
Сэ
4
•'
?
1 5
©
4
8
Рис. 1. Комплексная карта геодинамического режима Арктического сегмента. 1 - направления векторов скольжения горных масс в очагах сильных (M > 5.0) землетрясений вдоль южной и северной границ Евроазиатской плиты; 2 - генерализованное направление векторов вдоль отмеченных границ; 3 - направления векторов движения согласно спутниковой геодезической сети GPS; 4 - региональные зоны, в пределах которых проявились левосдвиговые смещения (1 - район о. Шпицберген; 2 - узел сочленения Беломорского геоблока и Балтийско-Мезенской трансблоковой зоны; 3 - Полюдовское поднятие; 4 - Лаптевоморский шельф); 5 - полюса вращения литосферных плит; 6 - схемы разнотипной (лево- и правосторонней) миграции в очагах слабых (М = 2.8-3.5) землетрясений; 7 - расположение предполагаемой зоны-перемычки, разграничивающей разнотипную миграцию; 8 - границ
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.