ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 5, с. 28-46
УДК 551.24,551.243,550.342
СОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКА РАЗЛОМОВ И ПАРАДОКСЫ СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ
© 2013 г. Ю. О. Кузьмин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 10.05.2013 г.
Представлены результаты анализа длительных (20—50 лет) геодезических наблюдений, проведенных в регионах с повышенной сейсмотектонической активностью (Копетдаг, Камчатка, Калифорния). Установлено, что результаты инструментальных геодезических наблюдений за современными вертикальными и горизонтальными смещениями в зонах разломов, полученные в режиме повышенной пространственно-временной детальности, указывают на "парадоксальное" отклонение деформаций в зонах разломов от унаследованных движений прошлых геологических эпох. "Парадоксы" больших и малых скоростей деформаций в современной геодинамике сводятся к надежно установленному эмпирическому факту — наличию исключительно высоких локальных скоростей деформаций в зонах разломов, порядка 10-5 в год и более, которые протекают в обстановке низких региональных деформаций, имеющих среднегодовые скорости на 2—3 порядка меньше. В Копетдагском и Камчатском сейсмоактивных регионах, а также в зоне разлома Сан Андреас (Северная Калифорния) выявлены очень низкие среднегодовые скорости относительных горизонтальных деформаций, которые составляют всего 3—5 амплитуд земноприливных деформаций. Сформулирована "разломно-блоковая" дилемма, которая возникает при интерпретации результатов наблюдений в современной геодинамике разломов. Либо активным элементом, формирующим современные аномальные деформации, является блок, а разлом выступает в качестве "пассивного" элемента, либо зона разлома сама является источником аномальных движений, а блоки являются пассивными элементами — вмещающей средой.
Показано, что "парадоксы" больших и малых скоростей деформаций, снимаются, если считать, что современная аномальная геодинамика формируются за счет параметрического возбуждения деформационных процессов в зонах разломов, в обстановке квазистатического режима нагружения.
Б01: 10.7868/80002333713050025
ВВЕДЕНИЕ
Проблема парадокса скоростей деформаций в современной геодинамике возникла сразу после того, как были проведены первые сравнения скоростей современных движений земной коры, измеренных геодезическими методами, со скоростями, определенными по геолого-геоморфологическим данным.
Впервые наиболее полно эта проблема была рассмотрена в работе [Буланже, Магницкий, 1974] на примере "парадокса больших скоростей" современных вертикальных движений земной коры. Было показано, что если предположить, что: "Современные движения являются, как правило, продолжением движений ближайшего геологического прошлого", то "... при скоростях нескольких мм/год в течение одного четвертичного периода, т.е. за 106 лет на платформах возникли бы горы и впадины в несколько км высотой (глубиной), чего фактически нет". По существу "парадокс больших скоростей" представляет собой инструментально установленный факт отклоне-
ния от унаследованного характера современных движений коры от движений прошлых геологических эпох.
Для объяснения этого парадокса были привлечены представления [Магницкий и др., 1974; Магницкий, Калашникова, 1978] о знакопеременном и/или прерывистом (пульсационном) характере движения астеносферного слоя, который приводит к знакопеременным движениям земной поверхности, что при больших временах осреднения приводит к компенсации движений различных знаков (поднятий и опусканий).
Предложенные механизмы достаточно хорошо объясняли формирование основных пространственно-временных характеристик современных геодинамических процессов, полученных по результатам повторных нивелирных наблюдений вдоль линий Государственной нивелирной сети с большими интервалами между повторениями (десятки лет) и расстояниями между измерительными пунктами (десятки км).
Подобная система взглядов господствовала в исследованиях по современной геодинамике до
того момента, когда результаты наблюдений на геодинамических полигонах, с интервалами времени между повторениями в месяцы и годы, выявили наличие интенсивных (10—20 мм в год и более), локальных движений, которые имели пуль-сационный и короткопериодический характер. Это не явилось большой неожиданностью для специалистов, поскольку первые геодинамические полигоны закладывались в орогенных, сейсмоактивных регионах.
Знаковым событием, разрушившим привычную парадигму унаследованного характера развития современных геодинамических процессов явилось организация Министерством нефтяной промышленности СССР в начале семидесятых годов прошлого века долгосрочной программы изучения современных движений земной коры в нефтегазоносных осадочных бассейнах. В качестве таких объектов были использованы территории крупных нефтегазоносных бассейнов древней до-кембрийской Русской платформы (Припятский прогиб, западное и северо-западное обрамления Прикаспийской впадины, Башкирский свод и Соликамская впадина), Западно-Сибирской плиты (Вартовский свод), предгорных и межгорных прогибов складчатых областей (Терско-Каспийский, Предгиссарский, Рионо-Куринский) [Сидоров, Кузьмин, 1989; Кузьмин, 2004]. Крайне важно, что параметры измерительных систем (густота пунктов, частота опроса и точность наблюдений) на геодинамических полигонах, расположенных в платформенных, асейсмичных районах, были идентичны системам измерений, расположенным в сейсмоактивных областях.
Выяснилось, что на платформах имеют место интенсивные локальные аномалии современных движений земной поверхности, приуроченные к зонам разломов различного типа и порядка. Эти движения высокоамплитудны (50—70 мм/год), короткопериодичны (0.1—1 года), пространственно локализованы (0.1—1 км), обладают пульсаци-онной и знакопеременной направленностью. Среднегодовые скорости деформаций оказались крайне высоки (5 х 10-5—10-4/год) и поэтому они были определены как суперинтенсивные деформации (СД) [Кузьмин, 1996; СЬилкоу, Кшшш, 1998].
Естественно, что подобный, "высокочастотный" спектр современных вертикальных движений оказался трудно объяснимым в рамках динамики астеносферных процессов. В этой связи, основной вопрос разрешения "парадокса" больших скоростей сводится к анализу соотношения региональных и локальных процессов.
Действительно, если имеет место унаследованная схема деформирования, то локальные деформации в зонах разломов должны иметь монотонный, однонаправленный характер развития во времени в полном соответствии с морфолого-ге-
нетическими характеристиками разрывных структур и региональной схемой тектонических напряжений. Однако, оказалось, что локальные деформационные процессы в разломных зонах имеют явно выраженный автономный характер, развиваются в обстановке квазистатического нагруже-ния и распространяются в форме автоволн [Кузьмин, 2004; 2009; 2012].
Важно отметить, что основные результаты по изучению современных геодинамических процессов (современных движений земной коры) в 20 веке были получены, в основном, по вертикальной компоненте движений (нивелирные наблюдения). На рубеже веков, в связи с активным внедрением методов спутниковой геодезии (ГНСС наблюдений) основной информацией, напротив, стали данные по современным горизонтальным движениям.
При анализе результатов измерений в современной геодинамике одним из наиболее важных вопросов является вопрос временной стабильности регионального напряженно-деформированного состояния. Зачастую исследователям приходится постулировать неизменность и/или монотонность во времени уровня и направленности регионального поля напряжений. Это естественным образом связано с информативностью натурных данных. Нередко при использовании результатов геодезических наблюдений (наземных и/или спутниковых) возникает необходимость тривиального осреднения и экстраполяции измеряемых кинематических величин (скорость и направленность смещений) в условиях редких и нерегулярных циклов повторных наблюдений, проводимых на больших базах измерений.
Естественно, что при сопоставлении GPS-на-блюдений, имеющих 2—3 повторных цикла измерений в интервале нескольких лет на расстояниях десятков или сотен км, с высокоточными наземными, многолетними наблюдениями, возникают принципиальные противоречия. Так, по результатам исследований, скорости относительных горизонтальных деформаций земной поверхности, полученные по данным GPS измерений, достигают величин 10-8—10-9 в год, в то время, как наземные наблюдения (светодальномерные и деформомет-рические), полученные на коротких базах, выявляют среднегодовые скорости на уровне 10—6—10-7 в год. Кроме того, низкая скорость относительных горизонтальных деформаций противоречит скоростям монотонного, однонаправленного движения литосферных плит. Все это позволяет трактовать выявленные несоответствия, как "парадокс малых скоростей горизонтальных деформаций" земной поверхности [Кузьмин, 2009].
При этом если "парадокс больших скоростей современных вертикальных движений" можно бы-
ло объяснять суперпозицией вертикальных движений различных знаков, то с "парадоксом малых скоростей горизонтальных деформаций" все обстоит намного сложнее. Простое объяснение этого парадокса состоит в том, что расстояния между пунктами ГНСС измерений слишком велики, что естественно приводит к существенному занижению величины относительной деформации. Однако, привлечение к анализу данных по длительным рядам наземных наблюдений за горизонтальными смещениями на расстояниях 1—10 км показывает, что этот парадокс остается в силе.
В этой связи, представляется актуальным детальное рассмотрение длительных (20—50 лет) рядов наземных наблюдений за вертикальными и горизонтальными движениями земной поверхности в зонах разломов различных регионов, которое позволяет существенно продвинуться в разрешении "парадоксов больших и малых скоростей".
РЕЗУЛЬТАТЫ МНОГОЛЕТНИХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ В КОПЕТДАГСКОЙ СЕЙСМОАКТИВНОЙ ЗОНЕ
Как известно, геодинамика Копетдагского сейсмоактивного региона обусловлена динамическим взаимодействием Иранской и Туранской плит. Основной зоной коллизии этих плит является Передовой
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.