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.