ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2010, № 4, с. 55-66
УДК 550.348
ОСОБЕННОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В РАЗЛОМНЫХ ЗОНАХ
© 2010 г. А. А. Спивак
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 04.03.2009 г.
Приведен анализ результатов инструментальных наблюдений за геофизическими полями на нескольких участках земной коры сложного структурно-тектонического строения. Анализируются: электрическое поле в приземном слое атмосферы и на приповерхностных участках земной коры, магнитное поле на земной поверхности, а также поля, сформированные микросейсмическими колебаниями и эманацией природного радона. Показано, что разломные зоны характеризуются существенно более высокими (по сравнению с серединными участками структурных блоков земной коры) вариациями геофизических полей, интенсивным откликом на слабые внешние воздействия в виде твердого луно-солнечного прилива и барических вариаций атмосферы, а также интенсивностью релаксационных процессов. Преимущественно в разломных зонах наблюдается трансформация энергии между геофизическими полями разной природы.
Ключевые слова: земная кора, блоки, геофизические поля, электрические импульсы, релаксация.
ВВЕДЕНИЕ
Геофизические поля являются важной неотъемлемой составляющей нашей планеты. Указанные поля включают, помимо традиционно рассматриваемых физических полей — гравитационного, магнитного и электрического, также поля, сформированные постоянно проявляющимися процессами физической природы, например, поле постоянно присутствующих в верхних твердых геосферах микроколебаний (микросейсмическое поле) и поле
1
эманаций подземных газов . Роль геофизических полей как фактора, объединяющего между собой внутренние и внешние геосферы в единую саморегулирующуюся систему, представляется весьма значительной. С помощью геофизических полей осуществляется взаимодействие между Землей и окружающем ее макрокосмосом, между разными геосферами и отдельными областями внутри каждой из них [Адушкин и др., 2006; Взаимодействие..., 1996]. Не менее значительной является информационная роль геофизических полей, которые отражают свойства и структуру геосфер, а также пространственные и временные вариации режимов геофизических процессов, что с успехом используется при решении фундаментальных и прикладных задач геофизики, например: определении закономерностей поведения внутренних и внешних оболочек Земли [Гохберг и др, 1988; Соболев, Демин, 1980], установлении очаговых зон и предвестников
1 Полный перечень геофизических полей существенно шире приведенного, он включает также ряд других полей естественного и техногенного происхождения, например, температурное и радиационное поля, поле деформаций и т.д.
землетрясений [Соболев, 1993; Новик, Ершов, 2001], поиска и разведки полезных ископаемых [Основы., 1995], описании геодинамической активности локальных участков земной коры [Спи-вак, 2008а] и т.д.
В настоящей работе рассматривается роль тектонических нарушений земной коры в виде разлом-ных зон в формировании пространственных и временных вариаций геофизических полей, в том числе в условиях внешних воздействий малой амплитуды, вызванных приливными деформациями и вариациями барического поля атмосферы.
Термином "разлом" часто обозначают разрывные нарушения фундамента либо скальных массивов горных пород на приповерхностных участках земной коры [Несмеянов, 2004], предполагая при этом, что разломы фундамента не всегда отражаются в структурных особенностях осадочного чехла [Макаров и др., 2007]. Вместе с тем имеются подтверждения тому, что крупные глубинные структуры практически всегда проявляются в осадочном чехле достаточно узкими зонами повышенной тре-щиноватости и флюидопроницаемости, а также поэтажными аномалиями геофизических полей, градиентными морфоструктурными проявлениями и т.д. [Анисимова, Короновский, 2007; Николаев и др., 2002; Юдахин и др., 2003; Горбунова, Иванченко, 2004]. Инструментальные исследования разрывных нарушений на платформенных участках земной коры, которые, как правило, характеризуются достаточно мощным осадочным чехлом [Николаев и др., 2002; Воейкова и др., 2007], свидетельствуют о наличии в большинстве случаев соответствия между разрывными нарушениями чехла и
о 1 О 2 Оз 04
20086] , деформирование которой вызывает не только сложные по характеру дифференциальные движения, но также преобразование вещества-заполнителя со временем [Спивак, Цветков, 2009]. Причем, изменение структуры, внутренних связей и свойств разломной зоны тем сильнее, чем интенсивнее происходит подвижка его берегов, то есть, чем выше активность разрывного нарушения. Пониженная жесткость разломных зон по сравнению со структурными блоками земной коры и, как следствие, — повышенная интенсивность геодинамических процессов позволяют рассматривать разлом-ные зоны как особые области, отличающиеся характеристиками и режимом геофизических полей.
Для анализа привлекались, в основном, результаты комплексных инструментальных наблюдений за геофизическими полями в зонах влияния Ногинской тектонической структуры (северная окраина Московского авлакогена), Приокского участка Нелидово-Рязанской шовной зоны (южная окраина Пачелмского авлакогена), выполненных в период 2003—2008 гг. [Адушкин, Спивак, 2008; Спивак, 2008а; Спивак и др., 2008], а также данные, полученные при геодинамических наблюдениях на других участках земной коры (очаговая зона Чуйского землетрясения 27.09.2003 г. [Гольдин и др., 2004], район Южных Альп (долина Валтеллина, Италия) [Адушкин и др., 1993; Спивак, Кишкина, 2004].
Рис. 1. Схема неотектонического строения и локализация очагов ИРТ, зарегистрированных в течение 2-х сут. на одном из участков Южных Альп (Валтеллина, Италия): а-в — тектонические нарушения соответственно II, IV и V ранга; г — населенные пункты; энергия ИРТ, Дж: 1 - менее 20; 2 - 20-50; 3 - 50-75; 4 - свыше 75.
фундамента [Анисимова, Короновский, 2007], что позволяет трактовать структуры осадочного чехла как разломы земной коры.
В настоящей работе под разломами понимаются линейно простирающиеся структуры земной коры в виде динамических зон, характеризующихся выраженными структурными особенностями, повышенными градиентами вертикальных и горизонтальных движений поверхности земной коры, морфологическими признаками на поверхности в виде, например, флексурообразных перегибов, а также интенсивными межгеосферными взаимодействиями, повышенными временными вариациями геофизических полей и градиентами пространственных распределений их амплитудных и спектральных характеристик. При этом разломы представляют собой не тонкие межблоковые промежутки, а изометрические области со своей внутренней структурой [Семинский, 2003; Спивак,
МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Специфика разломных зон, связанная со сложной блочной структурой и повышенной деформируемостью заполняющего их материала [Кочарян, Спивак, 2003], определяет особенности микросейсмического поля в зонах влияния разрывных нарушений. В основном влияние разломов сказывается на дискретной составляющей высокочастотного микросейсмического фона, представленной импульсами релаксационного типа (ИРТ), координаты очагов которых с достаточной для практических оценок точностью определяются сейсмическими методами [Спивак, Спунгин, 1998; Спивак, Кишкина, 2004].
Анализ пространственного распределения очагов ИРТ свидетельствует об их высокой локализации в разломных зонах и особенно в зонах сочленения нарушений. При этом разломные зоны маркируются наиболее крупными событиями. В качестве примеров на рис. 1 и рис. 2 приведены результаты сейсмических наблюдений на одном из участков Южных Альп (Ломбардия, Италия) [Адушкин, 1993] и на южной окраине Московской синеклизы (северный структурный блок) [Адушкин и др., 2006;
При таком подходе правомернее использовать термин "разломная зона".
Горбунова и др., 2002]. Из представленных данных, в частности, следует, что очаги ИРТ с энергией, превышающей ~10 Дж локализуются в разломных зонах разного порядка (используемые малоапертур-ные сейсмические группы [Спивак и др., 2005] позволяют регистрировать на исследуемой площади ИРТ с энергией, превышающей примерно 0.5 Дж).
Локализация очагов ИРТ позволяет идентифицировать динамически активные структуры, приуроченные к разломным зонам, на поверхности земной коры. При этом, привлекая статистические данные об интенсивности релаксации (количество микросейсмических импульсов, их амплитудные и энергетические характеристики), можно осуществлять ранжирование разломов по их активности.
Пониженная жесткость тектонических нарушений [Спивак, 2006] и, как следствие, — повышенная подвижность дробленой горной породы в теле разлома определяет специфически высокую реакцию самого разлома и среды, находящейся в зоне его влияния, на слабые внешние воздействия по сравнению с серединными участками структурных блоков. Например, слабое возмущение земной коры в виде приливных деформаций вызывает вариации амплитуды отдельных (характерных для конкретного участка земной коры) спектральных составляющих микросейсмических колебаний, а также интенсивности релаксационных процессов как на самих разломах, так и на участках, расположенных в его окрестности [Кишкина, Спивак, 2004; Адуш-кин, Спивак, 2006].
В качестве примера на рис. 3 приведены совместно вариации приливной силы Б и среднеквад-ратической амплитуды микросейсмического фона А в диапазоне частот 7—10 Гц для пунктов, расположенных в разломной зоне и на серединном участке структурного блока. Данные свидетельствуют о том, что, во-первых, амплитудные вариации высокочастотной составляющей микросейсмического фона существенно выше в разломной зоне, а, во-вторых, — достаточно высокой корреляции величин А и Б (коэффициент корреляции К составляет 0.71) при некотором опережении реакции микросейсмического фона на внешнее силовое воздействие (максимум амплитуды микросейсмического фона совпадает с максимумом производной Б').
В разломных зонах и на участках земной коры, характеризующихся высокой тектонической нару-шенностью, наблюдается достаточно хорошая корреляция между амплитудными вариациями микросейсмического фона определенного диапазо
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.