научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СКОРОСТЬ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ, РЕЛАКСАЦИЯ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ИХ АКТИВНЫЙ МОНИТОРИНГ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СКОРОСТЬ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ, РЕЛАКСАЦИЯ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ИХ АКТИВНЫЙ МОНИТОРИНГ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 10, с. 82-96

УДК 550.3

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СКОРОСТЬ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ, РЕЛАКСАЦИЯ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ИХ АКТИВНЫЙ МОНИТОРИНГ

© 2011 г. Н. Т. Тарасов, Н. В. Тарасова

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 01.12.2010 г.

Изучено изменение скорости сейсмотектонических деформаций двух наиболее сейсмоактивных областей Средней Азии — Гармского района Таджикистана и Северного Тянь-Шаня при облучении их коры мощными электромагнитными импульсами. Показано, что в обеих областях средние скорости высвобождения деформаций возрастают во время облучения в 10—20 раз. Приращение сейсмотектонических деформаций, инициированное в них за все время облучения, оказалось в пределах 1.3 х 10—6—6.3 х 10 , что вполне сопоставимо с деформациями коры, наблюдаемыми во время подготовки сильных землетрясений, и составляет 3—13% от известных значений предельных деформаций горных пород. Такой вклад в процесс квазипластического деформирования коры приводит к дополнительной релаксации упругих напряжений на 0.4—1.7 бар, что соответствует примерно 1 — 17% от сброса напряжений в очагах сильных землетрясений. Изучены пространственные вариации изменения скорости деформаций во время облучения и выявлена их зависимость от уровня напряжений в коре. Показано, что изменение скорости деформаций во время облучения может быть использовано в качестве критерия для активного мониторинга напряженного состояния среды с целью прогноза места, времени и магнитуды сильных землетрясений.

ВВЕДЕНИЕ

В работе [Тарасов, 1997] впервые было показано, что облучение коры мощными электромагнитными импульсами (ЭИ) магнитогидродинамическо-го (МГД) генератора, используемого в качестве источника при проведении глубинного электрического зондирования коры Гармского района Таджикистана, вызвало заметную активизацию сейсмичности, которая наиболее ярко проявилась в ее верхнем пятикилометровом слое. При этом интенсивность потока землетрясений резко возрастала через 5—6 суток после сеансов облучения, а повышение суммарной сейсмической энергии оказалось на пять порядков больше энергии ЭИ, откуда следует, что их воздействие является триггерным и инициирует дополнительное излучение накопленной в коре энергии в виде серии относительно слабых землетрясений.

Эти результаты подтвердились в других геолого-геофизических условиях при изучении влияния пусков расположенного недалеко от Бишкека МГД-ге-нератора на сейсмичность Северного Тянь-Шаня, где были выявлены очень похожие изменения сейсмического режима после облучения [Тарасов и др., 1999]. Позднее, в 2000—2005 гг в этой же области была проведена контрольная серия из 53 сеансов облучения коры. Последний эксперимент отличался тем, что суммарная энергия ЭИ была выше, а вместо МГД-генератора использовался конденсаторно-ти-ристорный источник ЭРГУ-600. При этом, также как и в предыдущих работах, была обнаружена за-

метная активизация сейсмичности после облучения [БуеЬеу й а1., 2006].

Наличие триггерного воздействия ЭИ подтверждается и тем, что сильные вариации естественного геомагнитного поля тоже могут влиять на сейсмичность. Так, например, в работах [Барсуков, 1991; Соболев, Закржевская, 2002] было показано, что магнитные бури с внезапным началом вызывают заметные изменения сейсмичности, и выдвинуто предположение о триггерном механизме этого явления. Инициирующее воздействие ЭИ было изучено также в ряде лабораторных экспериментов [Соболев, Пономарев, 2003; Закупин и др., 2003; СЬеИ^е, ЬшьтапазИуШ, 2003]. При этом выявлено значимое повышение уровня акустической эмиссии различных образцов горных пород под нагрузкой после их облучения ЭИ, что можно рассматривать как подтверждение результатов натуральных экспериментов.

При более детальных исследованиях в обеих упомянутых областях был обнаружен ряд общих закономерностей пространственно-временных и структурных изменений сейсмичности во время облучения (и показана их статистическая значимость), установлено, что удельное приращение суммарной сейсмической энергии после пусков МГД-генерато-ров имеет в них близкие значения [Тахазсу, Тагаюуа, 2004; Тарасов, Тарасова, 2004; Тарасов, 2009]. Кроме того, в области Северного Тянь-Шаня выявлено повышение упорядоченности временного распределе-

ния землетрясений в период облучения [СИеИ^е е1а1., 2006], а также отмечено увеличение скорости деформаций Беньоффа через 2 года после его начала [Сычев и др., 2008].

Тем не менее, вопрос о влиянии ЭИ на напряженно-деформированное состояние коры остался практически неизученным. Активизация слабой сейсмичности в результате облучения коры должна вызвать повышение скорости сейсмотектонических деформаций, вносящих свой вклад в процесс ее квазипластического деформирования, и привести к дополнительной релаксации упругих напряжений, возникающих вследствие тектонических движений. Важно понять, может ли облучение привести к заметным изменениям напряженно-деформированного состояния коры, оценить, в какой мере вызванные изменения сопоставимы со сбросами напряжений в очагах сильных землетрясений, интенсивностью аномальных деформаций коры в процессе их подготовки, насколько при этом возрастают скорости сейсмотектонических деформаций. Поэтому в данной работе более детально изучено влияние ЭИ на процесс деформирования земной коры в обеих упомянутых областях.

Еще в 40—50 годах прошлого столетия появился ряд работ, в которых обосновывались представления о том, что сейсмичность вносит свой вклад в процесс тектонического деформирования земной коры и верхней мантии [Аманд, 1961; Беньофф, 1961]. Тогда же была предложена методика оценки накопленных сейсмических деформаций и анализа их временных изменений с помощью диаграмм Беньоффа. Однако позднее было показано, что она плохо согласуется с существующими представлениями об очаге землетрясения [Костров, 1975]. На новом уровне эта идея была развита Ю.В. Ризниченко, который выдвинул концепцию сейсмического течения горных масс [Ризниченко, 1976а].

В его работах было показано, что мерой вклада отдельного землетрясения в процесс квазипластического деформирования массива горных пород является тензор сейсмического момента, и предложена методика описания деформационного процесса на основе этой характеристики землетрясений. Независимо аналогичный подход был развит в работах Б.В. Кострова. Им же были предложены используемые в данной работе методика оценки сейсмотектонических деформаций по скалярным сейсмическим моментам землетрясений и более строгий способ анализа их временных изменений, призванный заменить методику диаграмм Беньоффа [Костров, 1975].

МЕТОДИКА

Общая схема экспериментов с облучением коры ЭИ представлена на рис. 1. На ней отмечено положение МГД-генераторов в Гарме и Бишкеке, а также

показаны соответствующие области, в пределах которых изучалось изменение сейсмотектонических деформаций. Видно, что они сильно различаются по своим размерам. Отметим, что оба эксперимента можно рассматривать как независимые, поскольку области наблюдений не перекрывались в пространстве, а серии пусков МГД-генераторов проводились в них в разное время. Так, облучение коры Северного Тянь-Шаня в районе Бишкека началось только через 5 лет после завершения аналогичных экспериментов в Гарме.

В Гармском районе область наблюдений была ограничена координатами 38.3°—39.3° с.ш. и 68.8°— 71.2° в.д. Это одна из наиболее сейсмоактивных областей Средней Азии (А10 = 2.1), расположенная в зоне сочленения структур Южного Тянь-Шаня и Таджикской депрессии. Средние скорости сейсмических волн составляют здесь: УР = 5.65 км/с и У5 = = 3.25 км/с. В верхнем слое (к = 0—5 км) они несколько ниже: УР = 5.50 км/с и У8 = 3.14 км/с [По-пандопуло, 1983]. В качестве исходного материала для анализа ее сейсмотектонических деформаций использовался каталог КСЭ ИФЗ РАН [Попандопу-ло, 1991], содержащий энергетические классы (по шкале ТЕ Раутиан), координаты и глубины гипоцентров землетрясений этой области с 1955 по 1991 гг (всего 90438 событий 3—15 классов). Точность определения гипоцентров, представленных в каталоге землетрясений, была не хуже 0.5—1.5 км.

Для электрического зондирования коры этого района с 1975 г. по 1978 г. в Гарме был проведен ряд отладочных и три регулярные серии из 34 пусков МГД-генератора [Сидорин и др., 1983]. Его нагрузкой служил электрический диполь с разносом электродов 3 км и сопротивлением 1.5 Ом, расположенный в центральной части рассматриваемой области с координатами 38.98° с.ш. и 70.48° в.д. (северная часть Таджикской депрессии). При пусках генератора ток в нагрузке достигал 1.5 кА, длительность ЭИ — 2.0—2.5 с, а их энергия составляла 6.7—8.5 МДж.

Другая рассматриваемая область, ограниченная координатами 41.0°-45.5° с.ш. и 74.0°-81.5° в.д., включает в себя Северотянь-шаньскую сейсмогене-рирующую зону, которая также относится к наиболее сейсмоактивным. За последние 120 лет в ее пределах произошло два землетрясения с магнитудой М > 8.0. Несмотря на это, средняя сейсмическая активность здесь сравнительно невелика и составляет А10= 0.1, что существенно ниже, чем в Гармском районе Таджикистана.

С 1983 по 1990 гг на западном фланге этой области, недалеко от Бишкека, было проведено 113 пусков МГД-генератора [Трапезников и др., 1989]. Электрический диполь, служивший нагрузкой, располагался в пределах структур Северного Тянь-Шаня, примыкающих к границе осадочных отложений Чуйской впадины (42.69° с.ш. и 74.68° в.д.). Он имел сопротивление 0.4 Ом и разнос электродов 4.5 км.

72° I

Ташкент О

(б)

Алма-Ата

О

ir ~Jo3. Иссык-Куль

^_J ®Mw = 6.3

Рис. 1. Исследуемые области (прямоугольники) в Гармском районе Таджикистана (а) и на Северном Тянь-Шане (б). Звездочками показано положение источников облучения коры электромагнитными импульсами (МГД-генераторов), кружком — эпицентр землетрясения 24.01.87 г. с Мк = 6.3.

При пусках генератора ток достигал 0.28—2.8 кА, длительность ЭИ составляла 1.7—12.1 с, а энергия лежала в пределах 1.2—23.1 МДж.

Данные о землетрясениях этой области с 1975 по 1996 гг. были взяты из каталога Н.Н. Мих

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