» » Масштабный фактор и теоретические модели очагов землетрясений

Масштабный фактор и теоретические модели очагов землетрясений

Все изложенное выше показывает, что размеры разрывных структур существенно отражаются на типах очагов землетрясений. Действительно, с трещиной не могут быть связаны очаги, обусловленные выкалыванием и раздавливанием тектонических клиньев. Отдельным разрывам, в свою очередь, не свойственны сложные очаги, присущие глубинным разломам (шовным зонам). Между тем наиболее широко используемые ныне теоретические модели коровых очагов не учитывают масштабного фактора в строении разрывных нарушений.
Поэтому следует кратко остановиться на двух главный моделях, чтобы уяснить их применимость к разномасштабным разрывным структурам.
Дилатантно-диффузная (ДД) модель опирается на явление неупругого увеличения объема горных пород в процессе их сдвиговой деформации (явление дилатансии) в результате одноосного сжатия. Процесс сопровождается появлением в изучаемых образцах открытых микротрещин, возникновение, которых обусловливает микросейсмичность. Микротрещины обычно параллельны главному сжимающему напряжению и располагаются под углом к возникающей позднее сдвиговой макротрещине. При этом не объясняется механизм перехода от дилатантных трещин отрыва к макротрещине сдвигового типа.
Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛHT-модель) учитывает два явления: взаимодействие полей напряжений отдельных трещин и постепенную локализацию процесса трещинообразования. Трещиноватость породы возрастает с повышением напряжений до достижения критической плотности трещин. После этого начинается стадия разрушения образца, которое обусловливается слиянием трещин в результате взаимодействия их полей напряжений. Так, при взаимодействии двух неровных трещин отрыва малая трещина либо замедляет свой рост, если она находится в крыле большой трещины, либо ускоряет его, если она расположена на простирании большой трещины. В результате происходит активизация роста благоприятно расположенных и более длинных трещин и замедление роста хаотичных и коротких трещин. Слияние трещин приводит к макроразрушению горной породы, т.е. к землетрясению. Обычно длины отдельных трещин, образующих цепочку (эшелон), на порядок величин меньше длины трещины, появляющееся в результате их слияния.
Описываемый данной моделью процесс довольно хорошо согласуется с четырьмя стадиями формирования тектонических и сейсмических разрывных нарушений, намеченных М.В. Гзовским и уточненных М.В. Рацем. Первая стадия включает равномерное растрескивание по всему деформируемому объему, чему соответствует равномерное сейсмическое “потрескивание”. На второй стадии происходит сгущение трещин в локальных зонах, рост и слияние их друг с другом. В сейсмическом процессе этой стадии отвечает стадия возрастания энергии упругих импульсов, форшоки. К третьей стадии относится образование и “мгновенное” разрастание магистральной трещины и главный толчок землетрясения. Наконец, на четвертой стадии происходит перераспределение напряжений вокруг образовавшейся магистральной трещины и рост трещин оперения, чему отвечают сейсмические афтершоки.
Упомянутые главные теоретические модели очагов землетрясений являются моделями трещинообразования, т.е. относятся, по существу, к одному классу разрывных структур. Причем это модели того класса, представители которого из-за своих малых размеров не способны рождать сильные землетрясения, представляющие реальную опасность. Это связано, очевидно, со спецификой лабораторного физического моделирования на малых образцах. Моделирование на природных объектах по имеющимся моделям еще невозможно. Крупномасштабные модели типа взрывов имеют иной механизм и иную природу. Они осуществляются в условиях, когда разрушаемый массив горных пород не обладает необходимыми напряжениями, т.е. не подготовлен для саморазрушения, а достигаемое разрушение не приводит к образованию или разрастанию природного разрыва. Естественно, что взрывы, хотя и служат источниками сейсмических волн, не являются аналогами очагов природных тектонических землетрясений.
Само по себе моделируемое в лабораторных условиях слияние цепи мелких трещин ведет к возникновению более длинной трещины, а совсем не приводит к появлению разрыва, так как не обусловливает формирования разрывной зоны. Дело в том, что при этом, во-первых, не образуются тектонокластические породы подзоны сместителя, а во-вторых, согласно ЛНТ-модели, процесс разрастания главных трещин сопровождается затуханием трещинообразования в их крыльях. Последний процесс не приводит, следовательно, к формированию подзон аномальной трещиноватости. Такие подзоны возникают в результате многократных повторных подвижек, т.е. движений, свойственных разрывам, а не трещинам.
Важным несоответствием упомянутых моделей геологической реальности является то, что, согласно этим моделям, землетрясения должны возникать при разрастании разрывной структуры, т.е. на ее концах, которые являются новообразованиями. На самом же деле сильные землетрясения связаны с унаследованными, давно существующими (фактор древности заложения) частями разрывных структур. Аналогичным дефектом обладают модели, рассматривающие прямолинейное разрывное нарушение (трещину или разрыв), распространяющиеся в одном направлении в нерегулярном режиме.
В какой-то мере напоминает реальное разрывообразование модель очага, предложенная еще в начале нашего столетия Рейдом. Его гипотеза упругой отдачи предусматривала смещение любых по объему массивов горных пород вдоль единого сместителя, который в принципе мог отвечать и трещине, и локальному разрыву с простой разрывной зоной. Ho и эта упрощенная модель неприменима для разрывов со сложной разрывной зоной, а тем более для шовных зон (глубинных разломов).
Ближе к реальному разрывообразованию модель скачкообразного изменения скорости движения по разрыву (типа stick-slip) в результате внезапного уменьшения коэффициента трения между его крыльями — “берегами”. В лабораторных условиях показано, что скачкообразное увеличение скорости скольжения может зависеть от ряда факторов: минералогического состава пород, их пористости, температуры, мощности слоя раздробленных пород, присутствия воды, увеличения сжатия, формы и размеров неровностей контактирующих поверхностей-крыльев сместителя. Модель допускает существование асейсмического крипа перед землетрясениями. В данной модели предполагаются аналоги некоторых элементов реальных разрывных зон. Так, “слой раздробленных пород”, очевидно, соответствует подзоне сместителя". Скорее всего, эта модель отвечает локальному разрыву с простой разрывной зоной.
В литературе рассматриваются и некоторые другие характеристики, свойственные разрывам, но нет еще моделей, описывающих все главные особенности строения разрывов, не говоря уже о глубинных разломах.
В какой-то мере учет разрывного оперения имеется в “периферийной” модели очага, при которой специфика короткопериодного сейсмического излучения обусловлена вторичными разрывами в периферийной части очага. Ho и в этой модели нет места масштабному фактору. И поскольку она не учитывает особенностей внутреннего строения разрывных зон, то скорее относится к трещинам, чем к разрывам. Наличие неровностей в крыльях разрыва, рассматриваемых как источник короткопериодного сейсмического излучения, позволяет дифференцировать единый очаг на множество более мелких, но не одинаковых по величине. Последнее обстоятельство определяет уровень и форму спектра землетрясения в его высокочастотной части.
Характер смещения крыльев зависит от морфологии разрыва. В этом отношении получены интересные и разнообразные данные. Показано, в частности, что трение на разрыве, служащее источником высокочастотного излучения, максимально в условиях сжатия, сопутствующего взбросам, и минимально при растяжении, с которым связаны сбросы. Величина неровностей в сместителе (“барьеров”) определяет форму высокочастотной части сейсмического излучения. Поэтому наиболее высокочастотные спектры предполагаются для взбросов, а самые низкочастотные — для сбросов. Максимальные ускорения в ближней зоне характерны для взбросов, а минимальные — для сбросов. Землетрясения типа сброса и взброса имеют при равной магнитуде меньший сейсмический момент по сравнению со сдвиговыми. Соответственно, при одинаковой подвижке взбросы и сбросы имеют меньший размер очага. При одной и той же скорости деформации в областях, где доминируют взбросы и сбросы, сейсмичность, определяемая по числу землетрясений данной магнитуды, должна быть выше, чем для области с преобладанием сдвигов. Данный вывод объясняет обратную зависимость между размерами очагов и сейсмичностью.
Таким образом, современные теоретические модели очагов землетрясений могут служить аналогами либо трещин, либо локальных разрывов с простой разрывной зоной. Они, следовательно, не отвечают условиям возникновения сильных землетрясений. Необходимы модели, описывающие тектоническую обстановку появления очагов разрушительных землетрясений, т.е. учитывающие особенности строения разрывов со сложными разрывными зонами и шовных зон. При этом важно четко представлять характер изменения подобных структур с глубиной. Данный вопрос в тектоническом отношении изучен слабо. Обычно приводятся отдельные примеры изменения строения и ширины подзон сместителя и уменьшения с глубиной интенсивности трещиноватости.
Из приведенного выше рассмотрения ясно, что модели, претендующие на соответствие одновременно и трещинам, и глубинным разломам, настолько грубы, что теряют связь с геологической реальностью. Последняя определенно свидетельствует о том, что механизм трещинообразования не адекватен механизму разрывообразования, а механизм формирования глубинных разломов нельзя свести к более простому механизму разрывообразования. Поэтому эффективные модели очагов сильных землетрясений должны учитывать особенности строения именно крупнейших разрывных структур, характеристики которых соответствуют рассмотренным выше геологическим критериям сейсмичности.
Сказанное подтверждает преобладание у крупных разрывов сложных разрывных зон, включающих морфологически разные сместители. Все это относится и к большинству шовных зон. Соответственно, должны преобладать сейсмогенерирующие структуры, продуцирующие очаги с различным механизмом. Это касается в первую очередь неглубоких очагов и очагов слабых землетрясений. Поэтому вполне вероятна неоднотипность очагов сильных и значительной части слабых землетрясений в пределах единой сейсмогенерирующей структуры. Возможны неодинаковые механизмы приповерхностных очагов, связанных с разными элементами шовной зоны, например с главными краевыми швами, оперением аллохтона и автохтона взбросо-надвигов, границами краевых поднятий (тыловые циркообразные сбросы).
Распределение различных по морфологии разрывов и разных по механизму очагов коровых землетрясений обусловлено главным образом характером тектодинамической обстановки, т.е. особенностями распределения тектонических напряжений в земной коре. Так, общеизвестно, что для формирования надвигов благоприятна обстановка сжатия, а для образования сбросов — обстановка растяжения. Поэтому характер морфологии разрывов широко используется для реконструкции преобладающих напряжений в земной коре. А поскольку реальные сочетания разрывов сложны, для решения данной задачи рекомендуется привлекать парагенетические ассоциации разрывов. Вопрос этот достаточно широко освещен в литературе, и на нем нет надобности останавливаться. Здесь же важно подчеркнуть другое: на примере сложных взбросо-надвиговых зон было показано, что на фоне преобладающего на глубинах сжатия, обусловившего появление таких зон, в верхних эродированных частях поднятых блоков происходит разрядка напряжений, т.е. возникает обстановка растяжения, благоприятная для формирования циркообразных сбросов. Следовательно, ноле современных тектонических напряжений может быть пестрым. Оно меняется не только от одного тектонического блока земной коры к другому, но и в разных частях отдельных блоков, как по горизонтали, так и по вертикали.
Суммируя сказанное можно констатировать, что механизм землетрясений зависит от типа сейсмогенерирующих структур, их морфологии и что он может меняться от разных факторов по простиранию, вкрест его и по падению этих структур. Сказывается также неодновременность активизации всех элементов сложных разрывных и шовных зон. Следовательно, реально наблюдаемая пестрота механизмов очагов землетрясений — не случайное, а закономерное явление. Из этого следует несколько выводов.
1. Если разрывная природа очага землетрясения отвечает действительности, то типизация очагов коровых землетрясений может быть связана с использованной в работе типизацией разрывных нарушений, которые целесообразно делить на трещины, разрывы и глубинные разломы. Типичные представители указанных классов различаются как в количественном (по размеру), так и в качественном (по специфическим особенностям строения) отношении. Соответственно, возможны количественные и качественные различия в очагах землетрясений, связанных с каждым классом разрывных нарушений.
2. Физические модели очагов землетрясений, получившие наибольшее распространение, разработаны для трещин или для локальных разрывов (модели ДД, ЛНТ, stick-slip). Между тем трещины, наблюдаемые в природе, обычно не превышают по протяженности десятков и сотен метров; и только редчайшие, формировавшиеся, как правило, многостадийно, достигают 1 км и более. Следовательно, типичное одноактное трещинообразование не может обусловить возникновение сколь-нибудь крупного, а тем более опасного для инженерных сооружений землетрясения. Последние связаны, как правило, с региональными разрывами и шовными зонами.
3. Особенности строения разрывов позволяют предположить возможность существования очагов, механизм которых не предусматривается моделями преобразования хаотичных трещин в магистральную. Такой механизм связан с мгновенным хрупким разрушением блоков пород (тектонических клиньев) в разрывных зонах.
4. Опыт показывает, что с региональными разрывами протяженностью более 100 км и амплитудой новейших смещений в несколько км обычно связаны крупные землетрясения (в Тянь-Шане M?6,5, I?8 баллов). Такие разрывы обладают обычно сложными разрывными зонами, в которых очаги могут быть связаны: а) с подзонами главного сместителя, т.е. со смещениями по магистральному сместителю данной разрывной зоны; б) с подзонами второстепенных (оперяющихся) сместителей, особенно в поднятом крыле разрыва, т.е. с формированием (выкалыванием) тектонических крыльев; в) с хрупким разрушением отдельных тектонических клиньев, т.е. с образованием тектонокластического материала и объединением двух смежных подзон сместителя. Очаги, связанные со второстепенными сместителями и тектоническими клиньями, могут располагаться не параллельно к главному сместителю, т.е. под углом к главному сейсмогенерирующему разрыву.
5. Известная приуроченность крупных землетрясений к дизъюнктивным и дизъюнктивно-пликативным узлам объясняется благоприятными условиями для формирования здесь тектонических клиньев за счет сложных смещений по сопрягающимся под углом дислокациям разного типа (разрыв—разрыв или разрыв—поднятие).
6. Простейшая морфологическая классификация разрывов на сдвиги, сбросы, взбросы (и надвиги) обеспечивает весь диапазон известного разнообразия механизмов очагов землетрясений. Анализ строения сложных разрывных зон свидетельствует о возможности возникновения очагов с различным механизмом в пределах одного сечения разрыва (особенно у взбросо-надвигов).
7. В активных эпиплатформенных новейших орогенах (например, Тянь-Шане) крупные землетрясения обычно связаны с флексурно-разрывными и шовно-депрессионными зонами, т.е. с шовными зонами, включающими один или два краевых региональных разрыва.
8. Плейстосейстовые области, а, следовательно, и очаги крупных землетрясений (с М?7 и I?9 баллов) либо перекрывают целиком отрезок шовной зоны, либо связаны с краевым региональным разрывом, либо, наконец, приурочены к разрывному же оперению такого разрыва, обычно секущему или ограничивающему краевое поднятие шовной зоны. Во всех случаях возможны вариации механизма землетрясений, свойственные крупным разрывам разной морфологии.
9. Шовные зоны, сходные между собой по размеру и общему структурному положению, могут существенно различаться по строению в зависимости от тектодинамической обстановки формирования. Непостоянство в пространстве этой обстановки обусловливает неоднородность строения разных отрезков шовной зоны. Данные обстоятельства определяют особенности непостоянства всех характеристик очагов землетрясений не только в разных шовных зонах, но и по простиранию одной зоны.
10. Возможна связь довольно крупных очагов (с M до 6,6 и I до 8 баллов) с локальными разрывами на участках активной современной структурной перестройки крупных поднятий.

title-icon Подобные новости