Введение к работе
Актуальность проблемы. Представленная работа направлена на разработку новых подходов к исследованию структуры и динамики напряженно-деформированного состояния (НДС) литосферы и сейсмичности на современном (инструментальном) этапе эволюции Байкальской рифтовой зоны (БРЗ). Задачи диссертации определены актуальной проблемой обеспечения сейсмической безопасности.
Для эффективного проведения антисейсмических мероприятий необходимо решение ряда фундаментальных и прикладных задач, определяемых структурой и реологическими свойствами среды, НДС литосферы, геодинамическими процессами и общей сейсмичностью региона. Современные представления о сейсмичности как сложном явлении деформирования иерархически построенной структурно-неоднородной дискретной геофизической среды в феноменологической модели стационарного сейсмического процесса (Садовский и др., 1987) формируют понятие о неустойчивости НДС горных пород и стохастическом характере распределения напряжений и деформаций в литосфере (International…, 2002). В рамках этих фундаментальных представлений выдвинута проблема изучения свойств геолого-геофизической среды, НДС литосферы и сейсмичности активных регионов методами статистического анализа параметров толчков в полном диапазоне энергетических классов землетрясений. Предполагается, что выявленные на новом уровне познания закономерности НДС литосферы и тенденции его изменения дадут возможность связать их с пространственно-временной и энергетической структурой сейсмичности и смоделировать развитие сейсмического процесса, в том числе и сильных землетрясений, для решения проблем обеспечения сейсмической безопасности регионов.
Байкальская рифтовая система (БРС) более полувека привлекает пристальное внимание исследователей. Несомненны большие достижения в ее геолого-геофизическом изучении, пройден важный экспериментальный этап в исследовании внутриконтинентальной рифтовой структуры. Наблюдаемая в БРЗ сейсмичность указывает на неоднородность среды и неоднородное пространственно-временное распределение напряжений и деформаций. НДС литосферы региона характеризовалось, в основном, кинематическими и динамическими параметрами очагов небольшого числа сильных землетрясений. В настоящее время получение новых фундаментальных знаний о НДС литосферы БРЗ ориентируется не только на изучение отдельных аспектов, но и использует теорию и методы синергетики и нелинейных динамических систем для целостного понимания природы и эволюции БРС. Это не только позволяет представить весь объем имеющихся знаний о сейсмичности и НДС литосферы БРЗ в рамках единой концепции, но и обнаружить качественно новые, присущие широкому классу природных объектов, особенности строения и эволюции рифтовой системы.
Цель исследований. Разработка технологии статистического анализа пространственно-временной и энергетической структуры НДС среды и сейсмичности на основе решения задач очаговой и структурной сейсмологии для установления основных закономерностей НДС литосферы и сейсмичности активных регионов. Выявление, идентификация и верификация геолого-геофизических структур, геодинамических явлений и особенностей НДС среды в литосфере БРЗ, влияние которых нашло отражение в пространственно-временных вариациях динамических параметров очагов землетрясений и сейсмичности, для развития феноменологической модели стационарного сейсмического процесса в условиях БРС.
Основные задачи исследований:
1) выполнить массовое определение динамических параметров очагов землетрясений, разработать методы статистического анализа пространственно-временной и энергетической структуры НДС литосферы и развить способы геофизической интерпретации результатов, полученных по данным о параметрах сейсмических источников БРЗ;
2) установить и верифицировать основные закономерности пространственно-временных связей НДС среды и сейсмичности на различных иерархических уровнях литосферы БРЗ с целью развития феноменологической модели стационарного сейсмического процесса для решения проблем сейсмической безопасности в Байкальском регионе.
Фактический материал, методы исследования и аппаратура. Основой диссертации являются динамические параметры очагов почти 90000 землетрясений, зарегистрированных с 1968 по 1994 гг. в пределах Байкальского региона (j=48–60 с.ш., l=96–122 в.д.). В работе определены динамические параметры очагов в широком диапазоне энергетических классов толчков (5KР15), представительность выборки достигает 95% от числа зарегистрированных землетрясений. Сейсмичность региона исследована по материалам Байкальского филиала (БФ) ГС СО РАН за 1964–2002 годы, где диссертант работал с 1972 по 1979 годы. В диссертации использованы также материалы режимных и полевых сейсмологических наблюдений, с целью получения которых автор, начиная с 1976 г. участвовал в экспедиционных сейсмологических исследованиях на трассе БАМ и других территориях как начальник отряда. Часть используемых в диссертации фактических данных относится к территории Монголии, в различных районах которой диссертант проводил сейсмологические исследования. При экспедиционных исследованиях использованы различные сейсмографы с аналоговой и цифровой регистрацией, аппаратурно-вычислительные и измерительные комплексы, а также геофизическое оборудование лаборатории сейсмологии ИЗК СО РАН. Методы исследований ориентировались на формирование целостного представления (в рамках разрабатываемой проблемы и сделанных допущений) об основных характеристиках и свойствах НДС литосферы и сейсмичности БРЗ. В соответствии с поставленными проблемами в диссертации применен широкий спектр подходов при развитии методов и алгоритмов формализованного определения и статистической обработки динамических параметров очагов землетрясений, анализа и интерпретации пространственно-временных и энергетических закономерностей НДС среды и сейсмичности на различных иерархических уровнях литосферы БРЗ, идентификации и верификации происходящих в ней геодинамических процессов и пространственных геологических структур. Диссертантом разработаны и развиты способы геофизической интерпретации параметров сейсмических источников в формулировках НДС литосферы, методика исследования кинематики и динамики сейсмичности в продолжительных группах сейсмических событий, способ выделения кластеров толчков на общем скоростном фоне сейсмического потока, алгоритм оценки локальной сейсмической опасности в зонах разломов и метод математического моделирования смещений скального грунта, в котором учитываются особенности НДС среды и геофизических процессов, происходящих в очаговых зонах землетрясений. Достоверность полученных в диссертации основных результатов и выводов подтверждается высокой представительностью используемых данных, верификацией по натурным и хорошо проверяемым материалам сейсмологических и геофизических наблюдений и широкой апробацией.
Основные результаты и научные положения работы, выносимые на защиту.
1. Технология исследования пространственно-временной и энергетической структуры НДС литосферы и сейсмичности активных регионов, включающая в себя комплекс методов определений и статистической обработки динамических параметров очагов землетрясений, алгоритмов реконструкции и идентификации НДС среды на различных пространственно-временных и энергетических уровнях, способов калибровки и интерпретации динамических параметров в формулировках НДС среды, форматированных массивов исходных сейсмологических материалов и баз данных сейсмических источников.
2. Критерии и параметры пространственно-временных вариаций НДС литосферы БРЗ характеризуют сложную структурную неоднородность и динамическую неустойчивость НДС среды. В эволюции литосферы БРЗ определяющую роль играют перестройки НДС среды, обусловленные инверсией осей главных напряжений, возникающей в областях доминирования рифтогенеза в районе Южно-Байкальской, Хубсугульской-Дархатской и Муйской впадин. В центральной части БРЗ неоднородность НДС литосферы сильнее, чем на флангах и окраинах, а максимальная неоднородность НДС среды установлена в Южно-Байкальской впадине.
3. Метод прогноза динамики сейсмичности на основе мониторинга НДС литосферы по данным о динамических параметрах очагов землетрясений и развитой феноменологической модели стационарного сейсмического процесса в БРЗ. Перестройки НДС литосферы БРЗ приводят к кратковременной упорядоченности энергетики и синхронизации динамики сейсмичности, а в остальное время параметры сейсмичности в трех районах и шести участках региона коррелированны слабо. Наиболее сильные землетрясения региона с энергетическим классом KР14 (магнитуда MLH5.5) происходили пространственно разнесенными парами после инверсии осей главных напряжений в литосфере БРЗ.
4. Основные закономерности пространственно-временных связей НДС среды и сейсмичности установлены и верифицированы в литосфере БРЗ. В поле эпицентров толчков идентифицировано разделение сейсмичности БРЗ на три района. В энергетической структуре сейсмичности соответствие наблюдается в наклонах g графиков повторяемости землетрясений и в распределении суммарной сейсмической энергии во времени. Эффекты синхронного нарастания скорости сейсмического потока указывают, что активизации динамики сейсмичности происходили практически в одно время в различных областях БРЗ после перестроек НДС литосферы.
Научная новизна. Впервые на представительном фактическом материале выполнен статистический анализ пространственно-временной и энергетической структуры НДС литосферы БРЗ, который показал, что НДС литосферы региона неоднородно в пространстве и неустойчиво во времени. Диссертантом установлено, что основные наблюдаемые особенности закономерных изменений сейсмических моментов землетрясений обусловлены сменой типа подвижки в очаге при инверсии осей главных напряжений в литосфере БРЗ. Показано, что такие процессы хорошо вписываются в рамки модели нелинейной динамики напряжений с бифуркацией трехкратного равновесия. При анализе радиусов дислокаций установлено, что в центральной части БРЗ среда деформирована сильнее, чем на флангах и окраинах, а максимальная неоднородность НДС среды обнаружена в Южно-Байкальской впадине – историческом ядре БРС (Logatchev, Zorin, 1992). В литосфере БРЗ выделены зоны неоднородностей НДС среды, максимумы которых корреспондируют с областями доминирования рифтогенеза в районе Южно-Байкальской, Хубсугульской-Дархатской и Муйской впадин.
Проведенный диссертантом ретроспективный анализ формализованных статистических параметров НДС литосферы и сейсмичности показал, что наиболее сильные землетрясения региона с энергетическим классом KР14 (магнитуда MLH5.5) обычно происходят пространственно разнесенными парами в определенных областях после инверсии осей главных напряжений. Такие предпосылки предполагают возможность среднесрочного прогноза сильных толчков в Байкальском регионе по данным о динамических параметрах очагов землетрясений. Перестройки НДС литосферы БРЗ приводят к кратковременной упорядоченности энергетики и синхронизации динамики сейсмичности, обусловленной переходом структурно-неоднородной иерархической среды через неустойчивость к метастабильному состоянию, а в остальное время характеристики и параметры сейсмичности различных областей БРЗ коррелированны слабо.
Разработана методика оценки локальной сейсмической опасности в зоне разлома по данным о параметрах сейсмических источников и осуществлен детальный пространственно-временной анализ НДС среды и сейсмичности в зоне Белино-Бусийнгольского разлома. Установлено, что НДС среды в зоне разлома неоднородно, а динамика напряжений хорошо корреспондирует с вариациями напряженного состояния литосферы южного Прибайкалья и БРЗ. В диссертации установлено, что в продолжительных сериях афтершоков при повышенном уровне деформационных процессов, характерном для перестроек НДС среды, возникает явление самоорганизации, направленное на ускоренный сброс напряжений. Кинематика и динамика афтершоков корреспондируют с характером перестроек НДС среды в зонах очагов сильных землетрясений, который в целом аналогичен механизму перестроек НДС литосферы БРЗ. Аналогия механизмов перестроек объясняется самоподобием структурно-неоднородной среды.
В диссертации установлено, что перестройки НДС литосферы БРЗ обусловлены инверсией осей главных напряжений и между усилением неустойчивости и активизацией сейсмического процесса верифицирована связь. Это развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса, отражая особую роль и существенное влияние структуры и перестроек НДС литосферы на сейсмичность БРЗ. Наблюдаемая на исследуемом уровне сейсмогенеза стадийность и системность процесса является одним из атрибутов механизма возвращения иерархической системы разломов-блоков в метастабильное состояние после геодинамических перестроек и сильных землетрясений.
Практическая значимость работы. Диссертантом разработана и применена методика массового определения динамических параметров очагов землетрясений, ориентированная на использование до 100% зарегистрированных сейсмических событий для изучения и анализа НДС литосферы БРЗ. Разработаны и реализованы алгоритмы обработки и формализации исходных данных, направленные на статистический анализ пространственно-временной и энергетической структуры НДС среды и сейсмичности на различных иерархических уровнях литосферы региона. Развиты методики и алгоритмы, ориентированные на идентификацию динамических процессов и выделение пространственных структур в литосфере БРЗ. Предложены способы геофизической интерпретации полученных материалов и результатов в терминах и понятиях НДС литосферы.
На основе феноменологической модели стационарного сейсмического процесса и мониторинга НДС литосферы БРЗ разработан метод среднесрочного прогноза сильных землетрясений по данным о динамических параметрах очагов землетрясений. На картах пространственного распределения сейсмических моментов сильных землетрясений идентифицированы районы со статистически значимыми вероятностями реализации типа подвижки в очаге. Такая регионализация Байкальского региона, в совокупности с другими геолого-геофизическими методами, дает возможность более надежно и обоснованно подойти к сейсмическому районированию территории на основе классификации сейсмических толчков по типу подвижки в очаге. Расчеты и карты показали, что землетрясения из зоны Главного Саянского разлома представляют повышенную сейсмическую опасность для городов юга Восточной Сибири.
Разработана методика оценки локальной сейсмической опасности в зоне разлома по данным о параметрах сейсмических источников. В зоне Белино-Бусийнгольского разлома оценена локальная сейсмическая опасность и выделены участки территории, в которых сейсмическая опасность минимальна. Полученные карты коэффициентов локальной опасности разлома могут быть использованы как базовые для оценки сейсмических, эколого-геологических и других рисков.
Заложены основы компьютерной информационной технологии реконструкции и идентификации НДС литосферы БРЗ на различных пространственно-временных масштабах, включающие в себя автоматизацию процесса, определение текущих и прогнозных оценок и компьютерную визуализацию НДС среды и сейсмичности по данным очаговой и структурной сейсмологии.
Личный вклад автора. Личный вклад автора в защищаемую диссертацию является определяющим, что подтверждается списком публикаций. Основные научные результаты отражены в 78 публикациях. Всего по теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе 2 монографии.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на региональных тематических совещаниях (Иркутск, 1982; 1984; 1997; 2007), на совещаниях по проблемам сейсмичности, НДС литосферы и геодинамики (Владивосток, 1989; Южно-Сахалинск, 1991; Екатеринбург, 1998; Новосибирск, 2000; Иркутск, 2001; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006; 2007; Красноярск, 2001; Улан-Удэ, 2003) и международных научных форумах различного ранга (Иркутск, 1999; 2002; Улан-Батор, 2001; 2007; Улан-Удэ, 2005).
Объем и структура диссертации. Общий объем работы (313 стр.) составляют четыре части, введение и заключение (всего 286 стр. текста), 80 рисунков (на 66 стр.), 25 таблиц (на 15 стр.) и список литературы (410 наименований на 27 стр.).
