Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование медленных движений земной поверхности, предваряющих землетрясения

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Вавелюк, Юрий Павлович, Санкт-Петербург

4П

/ /

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Вавелюк Юрий Павлович

Численное моделирование медленных движений земной^поверхности, предваряющих землетрясения

Специальность 04.00.22 - ФИЗИКА ТВЕРДОЙ ЗЕМЛИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -

доктор физико - математических наук,

профессор Т.Б.Яновская

Санкт-Петербург 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................2

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Обзор данных по наблюдениям деформационных предвестников землетрясений.................................................. 6

1.2. Модели процесса подготовки землетрясения................. 18

1.3. Модели, предлагавшиеся для объяснения существования деформационных предвестников..................................27

Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ./

2 . 1. Модель среды........ ....................................•» 30

2.1.1. Сведения о строении литосферы............................30

2.1.2. Обзор реологических моделей..............................................34

2.2. Модель процесса подготовки землетрясения... . ............ . 41

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Движение под действием вертикальной силы.................. 44

3.2. Горизонтальные движения...................................49

3.3. Движения блоков с наклонными границами................... 55

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1. Моделирование движений под действием вертикальной силы....62

4.2. Моделирование горизонтальных движений....................71

4.3. Моделирование движения блоков с наклонными границами......80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................89

ЛИТЕРАТУРА.....................................................90

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы:

В современных условиях, при стремительном росте промышленности и урбанизации, становятся все более ощутимыми последствия внезапных сейсмических катастроф. Почти половина населения Земли живет в сейсмоопаснБ1х

районах, в них сооружаются различные производственные

к

объекты со всей необходимой инфраструктурой, включая опасные химические производства и атомные станции. Человеческая деятельность увеличиваем экологическую опасность последствий землетрясений я сама мож^? становиться причиной кат&ггз'рсф. Избавить человечество о г страха и множества бедствий, порождаемых внезапными й ймлатрясенмями «г^но, решив проблему их г:1:- у.'ноча. Очевидно, что эту проблему невозможно решить без понимания природы процессов приводящих к землетрясению.

Цель работы:

Землетрясения возникают в процессе динамического взаимодействия литосферных блоков. Очаг землетрясения представляет собой разрыв, движение бортов которого приводит к излучению сейсмических волн. Они, достигая земной поверхности, и вызывают землетрясения. Как известно, подготовка очага землетрясения является в основном закономерным процессом накопления упругих напряжений (деформаций). Поэтому для научно обоснованного прогноза землетрясения необходимо понимание природы и хода деформационных процессов, создающих его очаг. Это позволило бы понять причины возникновения аномалий в

поведении различных геофизических параметров, обычно эмпирически используемых для прогноза землетрясений.

Основной целью представленной работы было создание модели возникновения деформационных предвестников землетрясений в процессе движения литосферных блоков, и сопоставление полученных модельных результатов с наблюдениями предвестников реальных землетрясений.

к

Научная новизна:

Природа деформационных предвестников землетрясений до сих пор остаётся окончательно не выясненной. В большинстве случаев, предвестники- связывали с характерными особенностями геологического строения региона и чисто эмпирически использовали для прогноза землет}: > й.

Отсутствие в настоящее время каких-либо выявленных пространственно-временных закономерностей появления подобных предвестников, является одним из главных факторов затрудняющим их исследование. Причиной этого является малое количество . геодезических полигонов, сложность и высокая стоимость работ на них. Преодолеть это препятствие можно лишь на пути увеличения количества и размеров геодезических полигонов (особенно в сейсмоопасных зонах), а также развития методов космической геодезии.

В даной работе представлена модель, описывающая сам процесс образования деформационных предвестников и причины их возникновения. Предлагаемая модель основана на

двух основных положениях: модели структуры литосферы и

<1

модели процесса подготовки землетрясения. Этот подход

позволил создать физико-математическую модель, количественно описывающую процесс ' формирования деформационных предвестников землетрясений.

Защищаемые положения:

1. Модель жестких литосферных блоков, связанных ослабленными переходными зонами, (вещество которых описывается моделью стандартного линейного тела), адекватно описывает медленные движения земной поверхности и аномалии этих движений.

2. Микропроцессы в переходных зонах, приводящие к землетрясению, можно моделировать с помощью изменения макропараметров - параметров, входящих в реологическое уравнение состояния вещества переходной зоны.

Практическая значимость:

Разработанная физико-математическая модель моя эт служить основой для дальнейших исследований медленна;; движений земной поверхности, а также времени возникновения, формы и длительности деформационных предвестников землетрясений, и тем самым, для прогноза землетрясений, вызванных медленными движениями

литосферных блоков.

Апробация работы:

Основные результаты исследований были представлении:

на:

Всероссийской научно-практической конференции "Геофизика 97" (Санкт-Петербург, 1997).

- 23-ей генеральной ассамблее Европейского геофизического общества (Ницца, 1998).

-Международной конференции "Проблемы Геокосмоса" (Санкт-Петербург, 1998).

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 2 статьи.

к

Структура работы и объём:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа включает 99 страниц, включая 20 рисунков. Список литературы содержит 68 названий«

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В главе 1 изложены сведения о наблюдавшихся деформационных предвестниках землетрясений и даётся анализ предыдущих теоретических моделей их возникновения.

1.1. Экспериментальные факты

>

Наблюдения за медленными движениями литосферных блоков являются одним из основных методов геодинамических исследований. С их помощью можно - практически непосредственно контролировать процесс деформирования земной коры. Для наблюдений медленных движений земной поверхности, в ходе исследований испопы «ются различные методы.

Крупномасштабные перемещения литосферных плит и блоков крупных размеров регистрируются с помощью геодезических методов - повторных геодезических съёмок, нивелировок и светодальномерных измерений. Эти методы дают возможность определять размеры и местонахождение на земной поверхности зон, характер движений которых является аномальным. Подобные аномалии горизонтальных движений земной поверхности неоднократно регистрировались в различных геодинамических зонах [2, 3, 5, 6, 8, 9, 15, 21, 22, 32]. Как правило, аномалия выражается в резком изменении величины длины светодальномерной линии за некоторое время перед землетрясением. Однако, данных пока недостаточно,

чтобы с достоверностью судить о закономерностях этого изменения во времени и в пространстве.

На Бишкекском полигоне Волыхин и др. [9], длительное время проводили комплекс наблюдений различных геофизических параметров. Целью наблюдений за горизонтальными движениями на полигоне являлось получение прямой информации о деформационных процессах. Для проведения этих работ использовались лазерные светодальномеры. Сеть наблюдений представляла собой радиальную сеть из длинных (до 9 км) и коротких (менее 1 км) линий, лучами исходящих из центральной геофизической обсерватории. Пространственное расположение обсерватории и климатические условия в ее районе время от времени создавали идеальные условия для измерения длин-светодальномерных линий.

В первом полугодии 1987 года произошло резкое

удлинение линий северо-западного сектора. Этот \ 1 деформационный скачок" сопровождался изменением

сопротивления пород на значительной части полигона. Резкое

изменение деформаций сопровождалось также подъемом уровня

подземных вод в режимных скважинах и вариациями

геомагнитного поля. Примечательно, что наблюдения на

контрольной площадке не выявили в 1987г. никаких скачков

деформаций, подобных вышеописанным.

Что же касается линий юго-восточного сектора, то их измерения были организованы лишь в 1988 г. Отличительной особенностью вариаций длин линий юго-восточного сектора является наличие локального максимума в феврале-марте

к 12

Ш

в

-'-1-1—'-1-1—•-■ ч-' ' '

7 б 9 10 11 121 1 2 3 4 5 6 7

1988

1989

А5/5>0

-6

3

2

-V,

О

-1

I

1—I-Г

УвУю'и'к! I 2 5 4 5 6 ?

1988 1989

Рид.1. График изменения относительной длины светодальномерной

линии на Бишкекском полигоне. Стрелками показаны моменты землетрясений с К^7,б (из [9])

1989г., изображенного на рис.1. По времени он предшествовал землетрясению с К=12,3 (5 марта 1989 г.), происшедшему в юго-восточном направлении.

На основании этих данных авторы делают вывод, что все рассматриваемые геофизические параметры связаны с деформационными процессами и отражают ход накопления упругой энергии в различных частях земной коры. Однако для

установления пространственно-временных особенностей этого

к

накопления сеть наблюдений не являлась оптимальной.

На Алма-Атинском полигоне (что отражено в работах Антрушкевича и Калабаева, [3]; Алдамжарова и др., [2]) проводится мониторинг различных геофизических параметров, включая наблюдения за горизонтальными и вертикальными движениями земной коры и нахлономерные наблюдения. Изучение современных вертикальных движений земной коры

производится на специально созданной нивелирной сети с

\ <

общей протяженностью 200- пог. км со 160 нивелирными знаками. Горизонтальные движения земной коры изучаются с помощью лазерного светодальномера СГ-4 на отдельных участках полигона. Опрос всей сети линейно-угловых измерений и нивелирных линий производится один раз в год. На наиболее подвижных участках частота опроса доведена до 5-6 раз в год. Для изучения наклонов на различных станциях применяются водотрубные накономеры и наклономеры Островского.

«С

*

^п* орт о гай

п чилик

Н.АЛЕКСЕЕВКА

талгарт""""""^

У'

<?/ 6,

к Ту

-

©

п. АЛГАБАС •

^¡Тиип»

/

1 ' •

I

I »

X /

\,1иП11П1У(1Ш1ШШ11111111Ш///1111 ±

^т

I

- ЯУ

л

\

\

Рис.2. а - схема Алма-Атинского прогностического полигона

--1---1--1-1-1-1-1-1.

7*, 75 7 В 77, 7 В 79 ВО В1

Рис.2. б - изменение длин линий на Алгабасском полигоне за 1973-1981 гг.(из [2])

С целью выявления возможных предвестников сильных землетрясений ведутся ежегодные повторные наблюдения на стационарных линейных сетях Алгабасского полигона (рис.2а). Не касаясь описания полигонов и их характеристики, остановимся на анализе полученных результатов(рис.26). Так, за все время максимальные изменения длин произошли на линиях 1-4 и 2-4. Удлинение линии 2-4 в переиод с апреля 1976 по июль 1977 гг. на 91 мм можно связывать с предвестником Жаланаш-Тюпского землетрясения 24 марта 1978 г., происшедшего на растоянии 45 км от полигона. Тем более что измерение в апреле 1978 г. зафиксировало реверсивный ход изменения длины линии 2-4 на 100 мм.

Изменения длин остальных линий полигона имеют меньшую величину, но в общем подчинены определенной закономерности (рис.26).

На п-ове Камчатка из обсерватории "Мишенная" начиная с 19 79 года ведутся круглогодичные светодальномерные наблюдения с частотой опроса 1 раз в неделю. Результаты отражены в статьях Бахтиарова и Левина [5,6]. Полигон представляет собой веерообразную систему линий с центром в обсерватории. Длина регулярно измеряемых линий от 7 до 50 км. На основании длительных рядов наблюдений авторы твердо говорят о существовании связи между аномалиями горизонтальных деформаций земной поверхности и землетрясениями. Но связь эта не однозначна, так как одним сейсмическим событиям соответствует растяжение, другим -сжатие, на некоторые землетрясения вообще отсутствует

видимая реакция линий'и наоборот. На основании предложенной качественной модели связи землетрясений и деформаций по линиям полигона, дана оценка характеристик горизонтальных деформаций, которые могут служить среднесрочным предвестником землетрясений в районе г.Петропавловска-Камчатского.

Аномалии горизонтальных деформаций земной поверхности

также были, обнаружены на Душанбинском полигоне [15,32],

к

Ашхабадском полигоне [21,22], а также на о-вах Сахалин и Шикотан [8]*

Вертикальные движения регистрируются с помощью различных методов нивелирования. Случаи зарегистрированных аномальных поднятий, связанных с землетрясениями, можно найти в работах Алдамжарова и др.,[1,2]; Гусевой и др., [15]; Сидорина, [4 6]? Курскеева [23]; Потоцкого, [24]; Жаринова и др., [17], Энман и Остропико, [50]. Полученные данные позволяют сделать -вывод о взаимосвязи аномальных изменений превышений вдоль профилей с землетрясениями.

К сожалению, методы классической геодезии пригодны лишь для небольших полигонов и при очень частом повторении наблюдений. К тому же, работы эти весьма дорогостоящи и далеко не везде выполнимы, их проведение сильно зависит от метеорологических условий. А главное, они часто неудовлетворительны по точности. Поэтому все большее внимание привлекают космические методы (Прилепин, [36,37]). Спутниковые геодезические методы для мониторинга деформаций обладают существенно большими возможностями по сравнению с

наземными. И не только с точки зрения быстрого выполнения работ (не менее чем впятеро быстрее, чем наземные) и возможности увеличить частоту повторения измерений вплоть до режима мониторинга. Спутниковые методы дают более высокую точность (на порядок) и позволяют получать из одного и того же комплекса измерений обе - и вертикальную и горизонтальную - компоненты деформаций. Не менее важно и

то, что деформометрические пункты на поверхности Земли

к

можно выбрать в местах наиболее интересных с геофизической точки зрения и куда подчас просто невозможно добраться с геодезическим нивелированием. При этом совершенно не нужна обязательная при наземных измерениях взаимная видимость пунктов, относительные смещения которых изучаются. "Всепогодность" спутниковых измерений в определенных условиях может спать решающим фактс^ро^. •• Шожно--3<>жидат1>>--*%тб уже в самом ближайшем будущем методы космической геодезии займут ведущее место в комплексе наблюдений за движениями земной поверхности и будет получено большое количество высокоточных данных о характере движений земной поверхности перед сильными землетрясениями.

Завершая разговор о геодезических методах хочется указать, что согласно некоторым концепциям именно геодезические методы обладают уникальными, но до сих пор не востребоваными возможностями в деле прогноза землетрясений. Так па мнению А.К.Певнева [32-35], геодезические наблюдения являются единствённым методом, с помощью которого можно осуществить детерминированный прогноз готовящегося сильного корового землетрясения. Именно с пои-гощыо

методов возможно обнаружение участков земной коры, в которых идет процесс накопления сдвиговых упругих деформаций. Это, в свою очередь, дает возможность, во-первых, предсказывать место будущего землетрясения, т.к. на стадии формирования очага упругий изгиб является единственным достоверно распознаваемым признаком, однозначно говорящим о подготовке очага сильного землетрясения; во-вторых, предсказывать силу землетрясения, функционально связанную с размерами очага, и поэтому к прогнозу силы готовящегося землетрясения можно подойти через измерения .длины и ширины зреющего очага, которые возможны с помощью геодезического метода. Лишь геодезическому методу доступен самый долгосрочный прогноз места зреющего очага: практически с самого зарождения, т.е. за десятки лет и ; более до сильного землетрясения. Заблаговременное обнаружение очагов в корне изменит ситуацию и с прогнозом времени, т.к. точное знание местоположения зреющего ' очага позволит создать непосредственно в этом месте систему комплексных и детальных "очаговых" наблюдений, способную отслеживать с необходимой тщательностью процесс разрушения. Именно такой подход, по мнению автора, может открыть путь к точному прогнозу времени главных сейсмических событий в созревшем и начавшем разрушаться очаге землетрясения.

В качестве одного из методов регистрации локальных ДЗП уже давно в различных сейсмических зонах используются наклономёрные наблюдения. Многочисленные примеры в работах

Сидорина, [46]; Моги, [26]; Асада и др., [4]; Рикитаке, [40]; Нерсесова и др., [30]; Оспанов и Тихомирова [31], Кузьмина, [20]; Bella et al., [51-58] свидетельствуют, что поведение наклоно