ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 4, с. 25-30
УДК 551.24,551.243,550.342
СОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКА СИСТЕМЫ РАЗЛОМОВ
© 2015 г. Ю. О. Кузьмин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: kuzmin@ifz.ru Поступила в редакцию 16.02.2015 г.
Приведены результаты повторных нивелирных наблюдений вдоль профилей пересекающих нескольких разломных зон. Выявлено два типа аномалий современных вертикальных смещений земной поверхности в зонах разломов: "изолированный", когда аномальное смещение приурочено к одному разлому и "смешанный", когда кривые смещений обусловлены наложением двух или нескольких аномалий от разломов, расположенных на близком расстоянии друг от друга. Проведено моделирование взаимодействия разломных зон и определено "пороговое" расстояние S, на котором разломы перестают взаимодействовать друг с другом. Показано, что наблюдаемый спектр аномалий вертикальных движений земной поверхности обеспечивает пороговое расстояние S порядка 1—3.5 км при ширине включения (модельного аналога разломной зоны) 2а порядка 0.15—0.5 км и глубине залегания в диапазоне от 0.3 до 2.7 км. Проведено моделирование с последующей минимизацией расхождения теоретических и наблюдаемых значений, полученных вдоль профиля, пересекающего несколько разломов. Показано, что для формирования амплитуд аномальных вертикальных смещений земной поверхности в окрестности разлома амплитудой порядка 30—50 мм достаточно относительного изменения объемного модуля упругости порядка 5—11%.
Б01: 10.7868/80002333715040055
ВВЕДЕНИЕ
Многочисленные повторные геодезические наблюдения вдоль профилей, пересекающих несколько разломов указывают на сложную морфологию кривых аномальных вертикальных смещений земной поверхности в окрестности разломных зон. Обнаружено, что наряду с "одиночными", изолированными аномалиями движений существуют "смешанные" кривые, которые обусловлены наложением двух или нескольких аномалий, когда разломы расположены на близком расстоянии друг от друга.
В этой связи, для адекватной трактовки таких аномалий и определения параметров источника их происхождения, необходимо проводить тщательную селекцию смешанных кривых. Для этих целей следует установить степень взаимного влияния одного разлома на другой и оценить минимальное расстояние между разломами, при котором взаимодействие между ними будет минимальным.
Для этих целей ниже рассмотрены результаты многократных повторных нивелирных наблюдений с повышенной густотой пунктов наблюдений, которые пересекают несколько разломных зон. Выбор именно вертикальных смещений обусловлен тем, что горизонтальные смещения земной поверхности измеряются методами спутниковой геодезии по редкой сети пунктов наблюде-
ний, когда расстояния между ними достигают 10 и более километров. Такими системами измерений затруднительно выявлять локальные аномалии горизонтальных движений непосредственно в зонах разломов.
Для определения минимального расстояния между разломами приводятся результаты моделирования взаимодействия разломов на основе использования разработанной автором ранее [Кузьмин, 2002] модели локального деформирования земной поверхности в окрестности включения с пониженной жесткостью, которое является модельным аналогом разломной зоны.
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОВТОРНЫХ НИВЕЛИРНЫХ
НАБЛЮДЕНИЙ ВДОЛЬ ПРОФИЛЕЙ, ПЕРЕСЕКАЮЩИХ НЕСКОЛЬКО РАЗЛОМОВ
В предыдущих работах автора [Кузьмин, 1996; 2002; 2004] было показано, что аномальные вертикальные смещения земной поверхности в окрестности разломных зон имеют вид пикооб-разных, локальных оседаний. При этом кривые имеют практически симметричную форму. В случае, когда измерения проводятся по густой сети реперов (расстояние между ними порядка 0.1—1.0 км), то локальный изгиб вниз отмечается детально несколькими пунктами наблюдений. Когда сеть измерительных пунктов не столь детальна, то ано-
Изолированная аномалия
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Ък, мм 1"+8 -+6 -+4 +2 0 -2 -4 Ь—6 8
I-—10 --12 14
Мб -—18 20 Ь—22 24 Ь—26 -—28
Притбилисский район
Смешанная аномалия
Ък, мм
1000 2000 3000 4000 5000
Пермское Приуралье
Рис. 2. Пример смешанной аномалии вертикальных движений в зонах разломов.
Рис. 1. Пример изолированной аномалии вертикальных смещений в зонах разломов.
мальные смещения не регистрируются [Сидоров, Кузьмин, 1989; Хисамов и др., 2012]
На рис. 1 показана типичная изолированная аномалия, которая имеет максимум в окрестности проекции плоскости разлома на земную поверхность. Интервал между повторными нивелированиями равен 1 году. Из рисунка видно, что кривая вертикальных смещений симметрична. При этом, амплитуда аномалии имеет величину 26 мм, а фоновые изменения за ее пределами соизмеримы с двойной средней квадратической ошибкой измерений. Как следует из геологического разреза, приведенного в нижней части рисунка, источником выявленной аномалии является один из двух разломов.
На рис. 2 представлены аналогичные результаты, проведенные в Пермском Приуралье. Как видно кривая вертикальных смещений представляет собой смешанную аномалию, когда кривая разбивается на два наложенных друг на друга пи-кообразных смещения. В нижней части рисунка показан геологический разрез, где видно, что имеется система разломов, которые расположены близко друг к другу. Из четырех разломов только два были активны в период между повторными наблюдениями (интервал между измерениями — 1 год), что и отразилось на форме кривой верти-
кальных смещений земной поверхности. Из-за того, что разломы располагались на небольшом расстоянии друг от друга, аномалия оказалась смешанной. Очевидно, что эта аномалия является результатом наложения двух изолированных аномалий пикообразной формы, имеющих различную амплитуду смещений.
Локальный характер аномалий, которые имеют ширину не более 1.0—1.5 км, указывает на то, что источник их формирования сосредоточен внутри самой разломной зоны и является ее активизированным фрагментом.
МОДЕЛИРОВАНИЕ АНОМАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ РАЗЛОМОВ
Согласно традиционным представлениям динамика разломов обусловлена силовым воздействием меняющегося во времени регионального поля тектонических напряжений, которое приводит к сдвиговым перемещениям смежных объемов (плит, блоков) среды, локализованных в пределах собственно разломных зон. В этом случае уровень и длительность приложенной нагрузки должны соответствовать уровню и длительности деформационной реакции среды.
Однако анализ результатов по исследованию длительных (20—50 лет) рядов геодезических наблюдений по различным сейсмоактивным и
асейсмичным регионам выявил следующие общие свойства, которые характеризуют "парадоксы больших и малых скоростей деформаций" [Бу-ланже, Магницкий, 1974; Кузьмин, 2013]:
1. Аномальные деформационные процессы локализуются в узких зонах (1—1.5 км и менее) и протекают в обстановке квазистатического регионального напряженно-деформированного состояния, когда среднегодовая скорость относительных деформаций в зоне разлома превышает на 1—2 порядка деформации в блоке.
2. Наблюдаемые пространственно-временные характеристики современных вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности в зонах разломов, получаемые по данным длительных наблюдений затруднительно объяснить с позиции только сдвиговых перемещений жестких блоков по разломам. Необходимо ввести представления о разломных зонах как о локальных областях (включениях) с пониженной жесткостью.
В этой связи, в работах автора был предложен механизм параметрического возбуждения деформаций в разломной зоне за счет вариаций во времени жесткости разломной зоны, которая на интервале времени в первые десятки лет, находится в состоянии квазистатического регионального нагру-жения. Этот механизм объясняет высокие скорости среднегодовых деформаций в разломной зоне, в то время как аналогичные деформации в блоке имеют на 1—2 порядка меньшие скорости.
Энергетика возникновения этих процессов представляется следующим образом. Существующие в геологической среде длительное время региональные, квазистатические силы (напряжения) тектонического и гравитационного генезиса производят работу на локальных перемещениях (деформациях), которые вызваны изменениями во времени жесткостных характеристик в локализованных фрагментах разломов, обусловленными малыми, индуцированными воздействиями на внутренние параметры среды разломных зон. Именно поэтому эти деформации были названы параметрическими.
Задача изучения перемещений поверхности упругого полупространства, содержащего включение, решалась многими авторами для различных геофизических и сейсмологических задач. Детальный обзор различных механизмов приведен, например, в работе ^2игшп, 2007]. Однако в этом обзоре объемные включения моделировались полостями с изменяющимся давлением.
В работе [Кузьмин, 2002] в качестве модельного аналога деформирующейся разломной зоны использовалось упругое включение с меняющимися параметрами жесткости. Количественная модель формирования локальных аномалий представляет собой полубесконечное твердое те-
ло, имеющее включение (неоднородность) с иными механическими свойствами, чем вмещающая ее среда, на границе которой заданы фиксированные (постоянные) напряжения. В этом случае при изменениях во времени механических характеристик внутри включения, при постоянных условиях на границе, происходит формирование локального напряженно-деформированного состояния поверхности тела в окрестности данной неоднородности.
Во включении уменьшается объемный модуль К в обстановке регионального квазистатического растяжения (а), что приводит к локальному проседанию земной поверхности в окрестностях раз-ломной зоны. Аналогичная задача решалась С.М. Молоденским [Молоденский, 1983], но для приливных наклонов и деформаций.
Для смещений (Щ свободной от напряжений земной поверхности была получена формула:
и = -
(1)
дК
где: а = — — вариации во времени объемного К
модуля упругости; Ь} - — производная тензора функции Грина для смещений упругого полупространства.
Подставляя в (1) значения функции Грина можно показать, что, например, для вертикальных смещений:
из =
а(1 - 2у)а ^йхйуйг
бпц
№
дJ
(2)
г
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.