Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Вторичные косейсмические деформации в геологической среде: тектонофизический анализ

ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Автореферат диссертации по теме "Вторичные косейсмические деформации в геологической среде: тектонофизический анализ"

На пр^тахткориси

АНДРЕЕВ Артём Владимирович

ВТОРИЧНЫЕ КОСЕЙСМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ: ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (НА ПРИМЕРЕ ЮГА СИБИРИ)

Специальность 25.00.03 - геотектоника и геодинамика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

005544451

1 6 ЯНВ 2014

Москва-2014

005544451

Работа выполнена в лаборатории тектонофизики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земной коры Сибирского отделения Российской академии наук (ФГБУН ИЗК СО РАН).

Научный руководитель: Оксана Викторовна Лунина, кандидат гео-

лого-минералогических наук (ФГБУН ИЗК СО РАН, г. Иркутск).

Андрей Михайлович Корженков, доктор геолого-минералогических наук (Феде-Официальные оппоненты: ральное государственное бюджетное учре-

ждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва);

Александр Леонидович Стром, кандидат геолого-минералогических наук (ОАО «Институт Гидропроект», г. Москва).

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск).

Защита состоится: 28 февраля 2014 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.39 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119234, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, ауд. 415.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, в Отделе диссертаций Фундаментальной библиотеки по адресу: Ломоносовский проспект, 27

Автореферат разослан « ¿В » декабря 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор А.Г. Рябухин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

В настоящее время в мировой практике изучаются не только первичные разрывы, образовавшиеся во время землетрясения, но и вторичные косейсмические деформации, к которым относят сейсмогравитационные трещины, обвалы и оползни, а также инициированные сейсмическими процессами структуры разжижения и флюидизации в рыхлых водонасыщснных четвертичных отложениях, за которыми закрепился термин А. Сейлахера «сейсмиты» [Seilacher, 1969]. В пределах территории юга Сибири рыхлыми осадками перекрыты значительные площади, причем отложения часто водонасыщены и подвержены косейсмическому разжижению.

Возможность неугаготненного осадка под действием вибрации разжижаться и образовывать подобные сейсмитам структуры была доказана экспериментально П. Куененом еще в 1958 г. [Киепеп, 1958]. С тех пор немало зарубежных ученых занималось данной проблемой, о чем свидетельствуют многочисленные публикации [Sims, 1975; Hempton, Dewey, 1983; Vittori ef al., 1991; Rodriguez-Pascua et al., 2001; Obermeier et al, 2005; Bmstur, Jipa, 2007; и мн. др.]. С конца 90-х гг. XX века подобные работы стали появляться и в отечественных изданиях [Бауман, Корженков, 1998; Корженков и др., 1999; Корженкое, 2006; Поволоцкая и др., 2004, 2006; Корженков и др., 2007; Деев и др., 2005:2009, 2012; Николаева, 2009; и др.]. Стоит отметить, что для многих районов нашей страны, в том числе и для юга Сибири, выявление сейсмитов затрудняется наличием подобных по форме структур криогенного происхождения. Таким образом, необходимы анализ накопленного материала по данной тематике и разработка приемов и методов исследования сейсмогенных деформационных структур с апробацией в специфических региональных условиях.

Сейсмическая летопись территории исследований, в целом, характеризуется как неполная. Первые известные сведения о землетрясениях датируются XVII в. Предшествующие палеосейсмогеологические работы, в основном, были направлены на изучение сейсмогенных разрывов, образующихся в результате сильных подземных толчков. Согласно известным статистическим соотношениям, например П. Галли [Galli, 2000], маг-нитудный порог образования структур разжижения сравнительно ниже, что значительно расширяет возможности наполнения хроники землетрясений.

Комплекс работ, включающий современные тектонофизические подходы, основанные на применении меры и числа, в сочетании с методами структурной геологии и па-леосейсмогеологии, видится весьма перспективным с точки зрения оценки распространения и локализации вторичных косейсмических эффектов в геологической среде.

Цель исследований.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей проявления и распределения вторичных эффектов от землетрясений в геологической среде, а также их связи с сейсмогенерирующими разломами в пределах юга Сибири и прилегающих территорий.

Задачи и методы исследований.

1. Изучить формы проявления, условия и особенности образования сейсмогенных деформаций в позднекайнозойских отложениях на выделенных эталонных участках Прибайкалья с использованием комплекса геолого-структурных и тектонофизических

3

методов.

2. Усовершенствовать структуру базы данных по вторичным косейсмическим эффектам с применением реляционной модели введения и отображения их параметров.

3. Осуществить наполнение базы данных опубликованным материалом макросейс-мических обследований последствий инструментально зарегистрированных землетрясений, а также информацией собранной во время полевых работ для территории в рамках координат 42°-62° с.ш. и 80°-124° в.д.

4. Установить статистические зависимости, связывающие параметры землетрясений и вторичных косейсмических эффектов в геологической среде для территорий юга Сибири (РФ) и Монголии.

5. Выявить связь разрывной тектоники и структур разжижения от землетрясений в сейсмоактивных зонах.

Для решения поставленных в работе задач использовался комплекс геолого-структурных и тектонофизических методов применительно к сейсмогеологическим траншейным исследованиям. Статистический анализ данных выполнен путем построения граничных кривых и установления предельных эмпирических соотношений при помощи современных статистических программных пакетов.

Фактический материал и личный вклад автора.

В основу диссертационной работы положены данные, собранные во время проведения полевых работ в составе структурно-геологического отряда ИЗК СО РАН с 2009 г. по 2013 г. на территории Прибайкалья, обработанные и проинтерпретированные при непосредственном участии автора. Это, прежде всего, материалы документации зачисток и канав, в которых была получена обширная информация о количественных характеристиках сейсмогенных структур. Для установления статистических зависимостей между параметрами инструментальных землетрясений (магнитудой по поверхностным волнам

эпицентральной интенсивностью /0 по шкале \iSK-64, с учетом типа подвижки в очаге) и вызванных ими вторичных косейсмических эффектов (разжижения и флюиди-зации в грунтах, гидрогеологических аномалий, воронок-провалов, трещин, сейсмогра-витационных движений материала, волнообразных колебаний дневной поверхности, нарушений в техногенных сооружениях) самостоятельно отобраны, систематизированы и проанализированы данные, опубликованные в литературе и интерактивных ресурсах, а также хранящиеся в архивных источниках.

Защищаемые положения.

1. На юге Сибири и сопредельной территории более половины вторичных косейсмических эффектов в геологической среде расположены в пределах 20 км от разлома, инициирующего землетрясение. При сравнении случаев разжижения грунта и остальных, изученных в совокупности, вторичных эффектов, первые выявляются на расстоянии, в среднем в 10 раз ближнем к сейсмогенерирующему разлому.

2. Образование эффектов разжижения на юге Сибири и сопредельной территории происходит при землетрясениях с магнитудой М5> 5.2 и глубиной гипоцентра от 10 до 40 км. Формирующиеся при косейсмическом разжижении кластические дайки пространственно тесно связаны с разрывной тектоникой и являются надежными индикаторами для определения эпицентральных зон доинструментальных землетрясений.

3. При приближении к источнику сейсмических колебаний частота встречаемости и размеры проявления вторичных деформационных структур увеличиваются неравно-

4

мерно, а местоположение макросейсмического эпицентра доинструментального землетрясения обоснованно определяется на основании анализа совокупности количественных параметров сейсмогенных деформаций с учетом геометрии ассоциируемого разлома.

Научная новизна.

В настоящей диссертационной работе предложены региональные зависимости между параметрами землетрясений и пространственным распределением вызванных ими эффектов в геологической среде. Они основываются на собранном и обобщенном автором обширном материале по последствиям от инструментальных землетрясений, произошедших на территориях южной Сибири (РФ), Монголии и северо-востока Казахстана. Данный материал составляет также наполнение новой реляционной базы данных по вторичным косейсмическим эффектам в геологической среде, которая может быть реализована в интерактивной среде.

Впервые выявлены региональные закономерности в локализации структур косейс-мического разжижения грунта относительно всех других сейсмодеформаций и инициирующего разлома с учетом преобладающего типа подвижки вдоль него. В отличие от существующих подобных соотношений для разных районов мира, в работе показано влияние на пространственное распределение эффектов разжижения от сейсмоисточника местных гидрогеологических факторов.

Новыми данными являются детально изученные геолого-структурными и тектоно-физическими методами вторичные сейсмогенные дислокации в осадочных отложениях эпицентральных областей Цаганского 12.01.1862 г. и Мондинского 4.04.1950 г. землетрясений. Дана численная характеристика структур разжижения, а также введены новые параметры для оценки интенсивности проявления хрупко-пластических типов сейсми-тов.

В диссертационном исследовании обосновано положение эпицентра Цаганского сейсмособытия в точке с наибольшим количеством совпадений максимальных значений параметров всех косейсмических дислокаций. На основании этого предложен новый подход, позволяющий определять макросейсмический эпицентр доинструментального землетрясения.

Практическая значимость.

Предложенные в работе статистические соотношения и подход для реконструкции эпицентра землетрясения могут служить важными инструментами при палеосейсмогео-логических исследованиях для оценки параметров сейсмособытий прошлого. Соотношения также будут полезны при инженерно-геологических изысканиях (например, при проектировании сооружений разного рода на определенных расстояниях (/?„) от известных сейсмогенных источников).

Содержащаяся в базе данных по косейсмическим эффектам информация позволяет оценивать пункты, потенциально восприимчивые к разнообразным нарушениям в геологической среде при будущих землетрясениях. Сама база данных является удобным аппаратом для различных сейсмотектонических построений.

Практическим следствием комплекса работ, проведенных в эпицентральной области Цаганского землетрясения 12.01.1862 г., служит параметрическая характеристика модели его сейсмогенного источника. В дальнейшем подобные исследования могут быть полезны при обосновании выделения зон возможных очагов землетрясений (зон ВОЗ).

5

Апробация работы и публикации.

Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийском научном совещании «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 1114 октября 2009 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки» (г. Иркутск, ИрГТУ, 12-14 апреля 2010 г.), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Кайнозойский континентальный рифтогенез», посвященном 80-летию со дня рождения академика Николая Алексеевича Логачева (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 7-11 июня 2010 г.), XXIV Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 19-24 апреля 2011 г.), XVII Всероссийской конференции с международным участием «Проблемы сейсмотектоники» (г. Москва, им. О.Ю. Шмидта ИФЗ РАН, 20-22 сентября 2011 г.), European Seismological Commission 33-rd General Assembly (YSTC, Obninsk, 2012, 25-30 August), Всероссийской молодежной школе по современной геодинамике (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 23-29 сентября 2012 г.), Третьей тектонофизической конференции «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле» (г. Москва, им. О.Ю. Шмидта ИФЗ РАН, 8-12 октября 2012 г.), X юбилейном научном совещании «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 1720 октября 2012 г.).

Автором самостоятельно и в соавторстве опубликовано 19 научных работ, из них по теме диссертации 18, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ.

Связь работы с научными проектами.

Диссертационная работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проекты №№ 10-05-00072_а и 12-05-91161-ГФЕН) и Министерства образования и науки РФ (соглашения №№ 8316 и 8357).

Объем и структура работы.

Общий объем диссертации 199 страниц машинописного текста. Работа состоит из введения, 5 глав и заключения, а также 5 приложений на 29 страницах, иллюстрирована 57 рисунками и 6 таблицами. Список литературы (20 страниц) содержит 205 наименований, 70 из которых — публикации в зарубежных изданиях.

Благодарности.

Автор выражает особую признательность своему научному руководителю, кандидату геолого-минералогических наук, старшему научному сотруднику ИЗК СО РАН Оксане Викторовне Луниной за постановку темы, за решающую помощь в проведении полевых исследований, за непрерывное внимание к процессу написания работы и обсуждение полученных результатов. Также он искренне благодарен к. г.-м. н. A.C. Гладкову за интересные дискуссии и важные рекомендации при подготовке данной диссертационной работы, а также аспиранту A.A. Гладкову за обзорное знакомство с удивительным миром программирования баз данных. Автор признателен всем сотрудникам лаборатории тектонофизики ИЗК СО РАН за помощь в исследовании и всестороннюю поддержку. За оказанное содействие в сборе макросейсмического материала благодарность адресуется к.г.-м.н. Я.Б. Радзиминовичу. Также за обсуждения и ценные советы автор благодарит д. г.-м.н. B.C. Имаева, к.г.-м.н. В.А. Санькова, д.г.-м.н. К.Г. Леви, д.г.-м.н. A.B. Ключевского, к.г.-м.н. С.Г. Аржанникова.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современное состояние проблемы изучения вторичных косейсмическнх деформаций в геологической среде

В данной главе приведены общие сведения о тектонических землетрясениях, их основных параметрах, об истории их изучения в пределах юга Сибири. Отмечено, что сейсмическую летопись территории исследований можно охарактеризовать как слабо информативную |Демин, Татьков, 1996\, а в ее восполнении широко применяется па-леосейсмогеологический метод, разработанный в середине прошлого века сибирскими учеными В.П. Солоненко и НА. Флоренсовым. Метод направлен на исследование косейсмическнх (то есть образованных во время землетрясения) эффектов, упрощенно подразделяющихся на первичные, порожденные тектоническими деформациями, и вторичные, возникшие в результате иных процессов, инициированных подземным толчком [Paleoseismology..., 2009]. Последним в диссертационной работе уделяется особое внимание. Приводится литературный обзор накопленного материала по различным видам сейсмогенных гравитационных деформаций, воронкообразных провалов (просадок) грунта, вторичных разрывных нарушений, а также их использовании в палеосейсмогео-логических построениях [Paleoseismology..., 1996; Keefer, 2002; Непоп, Агатова, 2008; Непоп, Агатова, 2011; Adams, 1981; Хилъко и др., 1985; Zellmer et ai, 1985; McGill, Rockwell, 1998; Clark, 1972; и мн. др.].

Подробно рассматриваются дислокации, сформированные в результате сейсмиче-ски-вызванных процессов разжижения и флюидизации осадочных слоев, или «сейсми-ты» (по [Seilacher, 1969]). Обзор и анализ накопленного мирового опыта по данной проблеме [Андреев, 2010] позволяет обобщить ряд наиболее важных выводов: 1) по сравнению с другими вторичными деформациями от землетрясения сейсмиты отличаются хорошей сохранностью и встречены во многих фациальных обстановках [Rodríguez-Pascua et al., 2001; Brustur, Jipa, 2007;Mazumder et al., 2006; Montenat et al, 2007; и др.]; 2) для достоверной идентификации сейсмитов возможно использование критериев, предложенных Дж. Симсом [Sims, 1979], но с учетом особенностей мерзлотных деформаций грунтов, 3) приоритетно выявление в деформированных интервалах структур-индикаторов сейсмического происхождения (инъекционных даек, разрывов со смещениями); 4) наиболее проявленные структуры сейсмически-инициированного разжижения и/или флюидизации следует ожидать вблизи эпицентра [Obermeier et al., 2005]. Многочисленные находки сейсмитов в осадочных отложениях юга Сибири сотрудниками лаборатории тектонофизики ИЗК СО РАН Гладковым А.С. и Луниной О.В. являются основанием для постановки дальнейших исследований в пределах данной территории. [Гладков и др., 2005; Лунина и др., 2009а; Гладков, Лунина, 2009; Гладков, Лунина, 2010]. На начальной стадии полевых работ необходимо изучение голоценовых разрезов на эталонных участках - в эпицентральных зонах землетрясений с известными параметрами, и здесь весьма перспективным является применение тектонофизического подхода. С этой позиции сейсмоактивные разломы рассматриваются как объемные геологические тела с широкой зоной развития разрывов разного масштаба, что, по сути, представляет собой другой взгляд на проблему образования и распределения сейсмитов.

Глава 2. Методы исследований

В главе содержится подробное описание методики исследований, от поэтапного проведения полевых работ до особенностей обработки полученной информации. На этапе предварительной подготовки к полевым работам выделено две стадии: 1) детальная работа с литературными источниками; и 2) работа с картографическими данными. В итоге были намечены места рекогносцировочных маршрзтов с целью подтверждения выявленных ранее или отдешифрированных поверхностных сейсмогенных деформаций, а также участки основных исследований.

Этап непосредственно полевых работ включал в себя наземное обследование плей-стосейстовой зоны землетрясения и изучение в ее пределах разрезов четвертичных отложений в зачистках, шурфах и канавах. В зависимости от характера расчлененности и обнаженности района, подбиралась оптимальная сеть исследований. В одном случае это были нерегулярные наблюдения на участках с выраженными в рельефе дислокациями, в другом — выстраивающиеся в условно прямые в плане линии-профили, состоящие из нескольких пунктов (точек) геолого-структурных наблюдений, выполнявшихся по схеме, выработанной многолетними тектонофизическими исследованиями [Семинский, 2003; Семинский и др., 2005; и др.]. Определение пространственного положения точки наблюдения, а также трассирование сейсмогенных разрывов выполнялись при помощи GPS-навигатора. Там, где это представлялось возможным, в точках наблюдения делался массовый замер элементов залегания трещин, происхождение которых было проинтерпретировано как тектоническое. Такие трещины отличаются, главным образом, непрерывностью вдоль всего обнажения (разреза), системностью, прямолинейным и закономерным друг относительно друга расположением в пространстве [Рац, Чернышев, 1970; Чернышев, 198-1].

Для исследования взаимоотношений деформаций под дневной поверхностью в точках наблюдения применялся ручной метод проходки шурфов, канав и зачисток. Методика и результаты сейсмогеологических траншейных исследований не редко описываются в отечественных и зарубежных публикациях [Имаев и др., 2000; 2013; Смекаяин и др., 2007; Смекалин, 2008; Чипизубов и др., 2007; Рогожин, 2012; Кожурин, 2013; Clark, 1972; Paleoseismology..., 1996; 2009; и мн.др.]. В ходе документирования выработок особое внимание уделялось литологическим и структурным особенностям. Для различных типов дислокаций разжижения и флюидизации грунтов измерялись элементы залегания, мощности, амплитуды проявления как вверх по разрезу, так и в его ширину. Исследовалась их связь с разрывными нарушениями, с участками лимонитизации, с мерзлотными структурами и между собой. Для установления абсолютного возраста отложений и последующей его корреляции с деформационным событием использовался метод радиоуглеродного датирования. Определение остаточной активности углерода было выполнено в Институте геологии и минералогии СО РАН (г. Новосибирск) к.г.-м.н. JI.A. Орловой. Калибровка возраста 14С производилась с использованием программы «Calib» (версия 6.1.0) [Stutver, Reimer, 1993], по набору данных для калибровки «1п-tCal09» [Reimer et al., 2009].

Собранная в ходе полевых работ информация дублировалась в электронном виде, что позволило с}тцественно автоматизировать процессы обработки и визуализации с помощью современных программ. Инструментами анализа статистических данных являлось графическое отображение с построением граничных кривых и установление пре-

8

дельных эмпирических соотношений при использовании современных программных продуктов. Общие представления об упомянутых статистических методах изложены в ряде учебных пособий [Боярский и др., 1977; Кафаров, 1980; Львовский, 1982; Шеста-ков, 1988; и др.].

Глава 3. Статистические соотношения мегвду параметрами землетрясений и вторичных косейсмических эффектов в геологической среде

В настоящей главе описана структура базы данных по косейсмическим эффектам (БД КЭ), а также приводятся результаты сейсмостатистических построений, выполненных на основе хранящейся в ней информации. БД КЭ работает в виде приложения картографического программного продукта Maplnfo, являясь вторым модулем информационной системы «ActiveTectonics» [Лунина и др., 2012в], интегрирует информацию о последствиях современных, исторических и палеоземлетрясений, и позволяет решать широкий спектр специализированных задач. Было осуществлено наполнение БД КЭ информацией о последствиях инструментально зарегистрированных землетрясений, а также собранной во время полевых работ для территории в рамках координат 42°-62° с.ш. и 80°-124° в .д., что охватывает северо-восток Казахстана, Монголию и практически всю южную Сибирь на территории России. Косейсмические эффекты кодированы в БД КЭ согласно разработанной автором классификации по морфолого-генетическим признакам, которая является практичной при работе с большим информационным массивом.

На основании информации БД КЭ сделана выборка по сейсмичности инструментального периода наблюдений, которая состоит из 276 пунктов с вторичными косейсми-ческими эффектами в геологической среде, вызванными 53 землетрясениями с 1950 г. по 2008 г. 45 пунктов из общего количества представлены случаями разжижения грунта, условием возникновения которых на территории исследования являются магнитуда Ms > 5.2 и эпицентральная интенсивность /0 > 6-7 баллов (шкала MSK-64), а глубины гипо-цешров ассоциируемых сейсмособытий варьируют от 10 до 40 км. На основании выборки данных получены 32 соотношения [Андреев и др., 2012], связывающие параметры землетрясений (магнигуду по поверхностным волнам (Ms) и эпицентральную интенсивность (/о) в баллах шкалы MSK-64) с предельными расстояниями от эпицентра (R^x), гипоцентра (iij и сейсмогенерирующего разлома (R/ma) для всей совокупности ко-сейсмических эффектов и отдельно - для эффектов разжижения.

Установлено, что в большинстве случаев вторичные деформации от землетрясения распространяются в пространстве дальше от эпицентра, чем от разлома. Судя по поведению граничных кривых на полученных графиках, эффекты разжижения грунта локализуются в несколько раз ближе к сейсмогенному источнику, чем все остальные эффекты без разделения. В среднем, максимальное расстояние от эпицентра в 2 раза, а от сейсмогенерирующего разлома в 10 раз меньше для проявления процессов косейсмиче-ского разжижения, чем для всех эффектов. Более половины всей совокупности эффектов (52 %) и случаев разжижения грунта (71 %) сосредоточены в пределах 20 км от инициирующего разлома, а в пределах 40 км — 78 % и 90 %, соответственно (рис. 1). Такая тесная связь не может быть интерпретирована лишь с позиции значительной протяженности сместителей сейсмогенерирующих дизъюнктивных нарушений в плане, от которых производились измерения расстояния до пунктов с косейсмическими эффектами. Согласно текгонофизическим представлениям, крупные разломы имеют широкие облас-

9

ти динамического влияния, отличающиеся повышенной нарушенностью горных пород (по [Щерман и др., 1983; Шерман и др., 1985]). В пределах таких областей, очевидно, преобладают участки с высокой проницаемостью геологической среды, что тем самым создает благоприятные условия для образования и локализации косейсмических эффектов разжижения грунта.

Подвижки в очагах землетрясений на территории исследования представлены практически всеми известными типами. Общее количество пунктов с косейсмическими эффектами в выборке по известному фокальному механизму землетрясения составило 239 случаев, 18 % из которых - случаи разжижения грунта. За исследованный временной интервал превалирующие сдвиговые смещения в очагах землетрясений вызвали более половины (60 %) всех косейсмических эффектов и 93 % случаев разжижения, сбросовые - 36 % и 7 % соответственно, а взбросовые - 4 % от всех эффектов и ни одного случая разжижения грунта. Отмечено, что эффекты разжижения пространственно тяготеют, в среднем, в 3,7 раза ближе к сейсмогенерирующему разлому при доминировании вдоль него сдвиговых подвижек, чем все остальные косейсмические эффекты. Кроме того, по имеющейся выборке данных не отмечено существенного влияния глубины гипоцентра и фокального механизма очага землетрясения в совокупности на образование

эффектов разжижения.

100

ш"80 О

£ 70 о -8-60

$50

§40

8зо ! 20 J 10

о

Рис. 1. Пространственное распределение вторичных косейсмических эффектов в процентном соотношении на удалений от сейсмогенерирующего разлома (а) и от эпицентра землетрясения (б)

Установлено, что два предложенных соотношения (рис. 2, кривые под № 1) увеличивают предельные эпицентральные (гипоцентральные) расстояния для проявления косейсмических процессов разжижения при 5.2 (5.3) <MS < 8.1 (7.8), в сравнении с соответствующими зависимостями для других регионов мира. Основанием этому является пространственное распределение эффектов во время Олекминского землетрясения 14.09.1958 г. (Ms — 6.5). Тогдав 180 км от его эпицентра образовался грифон высотой до 25 м [Живая тектоника..., 1966]. Предполагается, что это связано с гидрогеологическими особенностями района. Так, при отсутствии вышеописанного пункта в выборке параметров, получаемые кривые (под № 2 на рис. 2, а, б) уже не являются лимитирующи-

10

ГГТ::

100т;

(а)

' 30

:

-Т—

о О о о ю о

Расстояние от разлома, км

ТТЛ все [_эффекты

о о о о 1Л о

Эпицентральное расстояние, км

эффекты разжижения грунта

ми для распространения рассматриваемого косейсмического процесса. Напротив, соотношение Мв и максимального расстояния от сейсмогенерирующего разлома (см. рис. 2, в) демонстрирует наибольшую приуроченность к инициирующему дизъюнктивном)' нарушению.

Таким образом, в главе подтверждается закономерность в распространении в пределах областей динамического влияния сейсмогенерирующих разломов большинства косейсмических эффектов, в том числе и эффектов разжижения грунта. Для последних прочность такой пространственной связи выше, чем для других территорий мира, что обусловлено, очевидно, влиянием региональных геологических особенностей юга Сибири и Монголии.

Расстояние, км

I TliKuribaysshi. I ^»l/Voud. Perkins, I ^lfLru, Xie, I-ШтЫаееуз, f—yipspadcpoubs, I-IWakamalsu.

I-ITalsuoAa. 7975] L_—119761 Li—119041 I->'9XJ leJ—lLefkopoulos. 1993J U_J 19931

I _^l/Gaffi.| ^niAydanelal.. | \IPapaUianassimj |—~r\!Wang el al.. (настоящая!-¡разжижение

LZ—12000jh-\20001 I-lei a/., 2005] [¿Uimi U^ I работа] I_фрукта

Рис. 2. Сопоставление предложенных граничных кривых соотношений магнитуды землетрясения Ms и максимальных расстояний от эпицентра Re. км (а), от гипоцентра Rh, км (б) и от сейсмогенерирующего разлома R/, км (в) для разных регионов мира.

Остальные пояснения см. в тексте

Глава 4. Результаты исследований вторичных сейсмогениых деформаций в эпи-центральных областях сильных землетрясений Прибайкалья

В качестве эталонных полигонов для отработки региональных геолого-структурных критериев выделения сейсмогенных структур в рыхлых и слабосцементи-рованных четвертичных отложениях были выбраны плейстосейстовые области сильных землетрясений Прибайкальского региона— исторического Цаганского 12.01.1862 г. (М ~ 7,5) и инструментально зарегистрированного Мондинского 4.04.1950 г. (М= 7,0).

Сейсмогенные структуры в рыхлых отложениях эпицентральной зоны Цаганского землетрясения 1862 г. В результате полевых исследований в данном районе на сегментах с. Красный Яр - с. Заречье и с. Кудара - с. Шергино были созданы два геолого-структурных профиля (рис. 3), в пределах которых канавами и зачистками изучены 32 разреза четвертичных отложений. Большинство задокументированных в них деформаций разжижения проинтерпретированы как сейсмиты, поскольку подобны структурам, описанным в работе [Montenat et al., 2007], распространены в сейсмоактивном районе на значительной территории и в осадках разного литологического состава, тяготеют к разноранговым дизъюнктивным нарушениям, что, в общем, соответствует критериям Д. Симса [1975].

Преобладающая часть сейсмитов уверенно ассоциируются с Цаганским землетря-

сением [Андреев, Лунина, 2010]. Они локализуются в позднеголоценовых отложениях (калиброванный С возраст нарушенных сейсмитами гумусированных слоев составляет от 1543-1925 лет cal ВР до 529-655 лет cal ВР), в местах, где были описаны поверхностные эффекты разжижения и флюидизации, образовавшиеся во время подземного толчка 1862 г. [Фитингоф, 1865; Демин, 2005]. Также установлено, что сейсмогенерирующей структурой являлся Дельтовый разлом. Во время Цаганского землетрясения смещение вдоль него реализовалось в условиях СЗ-ЮВ растяжения путем формирования ступенчатой системы сбросов с преимущественным падением 300-350°Z45-75° [Лунина и др., 2012а]. Суммарная вертикальная амплитуда по полевым данным составила 2,83 м. Стоит отметить, что в пределах некоторых изученных разрезов структуры разжижения грунта отчетливо «обособляются» в деформационные интервалы, «разделяемые» неде-формированными участками, что еще раз доказывает сейсмогенное происхождение таких структур (согласно [Sims, 1975]).

вдоль профилей «Красный Яр - Заречье» (слева) и «Кудара - Шергино» (справа), пы, см — средняя мощность кластических даек; hod, см — средняя высота кластических даек: led — средний индекс интенсивности проявления кластических даек; rnmd — средняя мощность микродаек; hmd, см — средняя высота микродаек: Imd — средний индекс интенсивности проявления микродаек. Условные обозначения см. на рис. 6.

Были предложены средние индексы (I) интенсивности проявления сейсмитов хрупко-пластического типа. Они позволяют учитывать количество, мощность и высоту (глубину) проникновения микро- и кластических даек в детально изученных разрезах оса-

дочных отложений и адекватно оценивать масштабы развития данных структур разжижения на большой площади. Кроме того, было установлено, что сейсмогенные класти-ческие дайки распределяются в пространстве неравномерно, а на приближении к ассоциируемому' источнику сейсмических колебаний увеличивается их интенсивность проявления (см. рис. 3).

Вторичные косейсмические дислокации в эпицентральной области Мондин-ского землетрясения 4.04.1950 г. В ходе полевых исследований на дневной поверхности и канавами были детально изучены участки развития Булухтинской (Горхонской) и Мондинской (Главной) систем деформаций, описанные в [Тресков, Флоренсов, 2006; Сейсмогеология..., 1981], а также участок между ними, названный Промежуточным. Дешифрирование спутникового снимка в интерактивной среде Google Earth позволило выделить разрывные нарушения разного иерархического уровня на еще большей территории. На основании проведенных исследований, а также при использовании представленных ранее материалов, была составлена структурная схема эпицентральной зоны Мондинского землетрясения (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема эпицентральной области Мондинского землетрясения 4.04.1950 г. (М = 7,0) на объемной модели рельефа.

При составлении схемы использованы материалы работ: [Тресков, Флоренсов, 2006; Сейсмогеапо-гия..., 1981; АуагтИста в/ а1, 2004; Лунина и др., 2010]. Условные обозначения. 1 - область поднятия докайнозойского фундамента (по [Сейсмогеология..., 1981])', 2 - Мондинский разлом (по [Лунина и др., 2010]), 3 - кайнозойские разломы (по [Сейсмогеология..., 1981; Лунина и др., 2010]);

4 — уступы террасовидных возвышенностей (по [Сейсмогеология..., 1981; Агуапткога е! а1., 2004\)\

5 - сейсмогенные разрывы (а) и сбросовый уступ (б), достоверно установленные; б - сейсмогенные разрывы предполагаемые, выявленные при дешифрировании спутниковых снимков; 7 - провальные воронки; 8 - место возникновения трех источников во время землетрясения (по [Тресков, Флоренсов, 2006]); 9 - места проведения траншейных исследований в точках наблюдения: М-0601 (а), М-0502 (б) и М-0301 (в). Изолинии рельефа проведены через 20 м

По результатам анализа полученного материала были сформулированы следующие основные выводы:

1) Во время Мондинского землетрясения 4.04.1950 г. на северных склонах одноименной впадины образовалась система сейсмотектонических дислокаций, секущая террасированный рельеф. Прерывистые разноранговые сейсморазрывы вытянулись на не менее чем 5,4 км в ЗСЗ-ВЮВ направлении согласно простиранию Мондинского разлома, и, в целом, отражая внутреннюю структуру его южного крыла (см. рис. 4).

2) В ходе изучения разрезов рыхлых и слабосцементированных отложений в пройденных канавах установлено, что вдоль разрывов реализовались сдвиговые (преимущественно левосторонние), сбросовые, а также взбросовые подвижки, инициировавшие формирование вторичных сейсмогенных структур [Лунина и др., 20126].

3) В валунно-галечных сезонно-мерзлых отложениях района образовалось широкое многообразие сейсмитов, что было связано, в том числе, и с вариациями уровня грунтовых вод во время землетрясения. Из них формирование большинства кластических даек было сопряжено с возникновением сейсмогенных разрывов разных масштабных уровней.

4) Воронки-провалы в эпицентральной зоне Мондинского землетрясения инициированы сейсмическими колебаниями. Интенсивность и густота их проявления в целом постепенно и неравномерно >"меньшается на удалении от ассоциируемого источника сейсмических колебаний (рис. 5). Влияние на дальнейшее развитие провальных структур оказывают характер рельефа территории и экзогенные процессы.

Расстояние, м Расстояние,м

Рис. 5. Гистограммы распределения воронок-провалов на удалении от эпицентра Мондинского землетрясения 1950 г.: а — по максимальной площади (м2); 6 — по максимальной глубине (м).

Измерения расстояний производились от условно центральной точки ближайшей к инструментальному эпицентру (по данным БФ ГС СО РАИ) воронки-провала. На графиках эпицентр землетрясения отмечен звездочкой.

Глава 5. Возможности практического применения количественных данных по вторичным косейсмическим эффектам в геологической среде

В данной главе изложены методические подходы к восстановлению эпицентра (здесь и далее речь идет о макросейсмическом эпицентре) и параметризации индивидуального геолого-геофизического сейсмогенного источника (далее - ИГТСИ) для Цаган-ского землетрясения 1862 г. Возможность таких вычислений обусловлена проведенным анализом и интерпретацией фактического материала, базирующимися на комплексе наших детальных сейсмогеологических, геолого-структурных и тектонофизических работ

по картированию сейсмогенных деформаций.

С целью реконструкции местоположения эпицентра Цаганского землетрясения были использованы 13 параметров вторичных деформационных сейсмоструктур (дизъюнктивных нарушений и сейсмогенных осадочных даек), в том числе предложенных индексов интенсивности проявления сейсмитов хрупко-гшастического типа [Андреев, Лунина, 2011]. Для сопоставления указанных характеристик между собой использовалась величина «SUMspp» [Лунина и др., 2011], представляющая собой сумму значимых пиков всех проанализированных параметров (введено сокращение от англ. «The sum of significant parameter peaks»). Пиками или максимумами каждого параметра считались значения, большие их среднеарифметических значений в пределах изученной площади (см. рис. 3). Далее на плане с шагом через единицу были построены изолинии величины SUMspp (рис. 6), один из выделившихся максимумов которой обоснованно ассоциируется с Ца-ганским землетрясением.

Уточнение положения эпицентра основывалось на его связи с сейсмогенерирую-щим Дельтовым разломом. Согласно замерам трещиноватости в разрезе сейсмогенного уступа средний угол падения Дельтового разлома составляет 60°. Поскольку глубина гипоцентра Цаганского землетрясения не известна, она принята равной 15 км, то есть средней глубине возникновения землетрясений для Байкальской рифтовой зоны (по [Ги-лева и др., 2000]). Путем несложных построений в едином масштабе определена ширина по среднему падению разлома до принятого гипоцентра — 17,3 км. Проекция точки с отмеченной глубины на дневную поверхность будет располагаться в 8,7 км от основного сместителя. Наконец, полученное расстояние было вынесено на план от центральной части области с максимальной интенсивностью проявлений косейсмических деформаций на линии Дельтового разлома по среднему азимуту его падения. Тогда, на удалении 8,7 км от его магистрального сместителя точка, являющаяся эпицентром, будет иметь следующие координаты в десятичных градусах: 52,35° с.ш. и 106,67° в.д. (см. рис. 6).

Совокупность данных, полученных нами [Андреев и др., 2011] и опубликованных другими исследователями, позволила охарактеризовать параметры модели ИГГСИ, генерирующего землетрясения, подобные Цаганскому 12.01.1862 г. Так, длина первичной (истинной) сейсмодислокации от рассматриваемого сейсмособытия оценена в 30 км, что эквивалентно отрезку Дельтового разлома от мыса Облом до с. Кудара, а вертикальная амплитуда сброса — в 8 м [New catalog..., 1982], что является максимальным значением единичной подвижки для модели. Магнитуда сейсмособытия была рассчитана по уравнениям регрессий для сбросов, развивающихся в условиях растяжения [Лунина, 2002], и была принята равной 7.4. Близкие значения магнитуд получены и по другим подобным соотношениям для сбросов, представленным в работах [Wells, Coppersmith, 1994; Строи, Никонов, 1997; Чипизубов, 1998] Остальные параметры ИГГСИ, указанные в табл. 1, были рассмотрены выше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения настоящего исследования автором собраны и систематизированы макросейсмическис сведения о последствиях инструментальных землетрясений, зарегистрированных на территориях южной Сибири в России, Монголии и северовосточной части Казахстана. В результате сейсмостатистических построений, базирующихся на этих данных, были предложены региональные соотношения между некоторыми параметрами сейсмособытий и вызванных ими вторичных косейсмических эффектов

Рис. 6. Восстановление местоположения макросейсмического эпицентра Цаганского землетрясения 1862 г. на основе распределения параметра SUMspp дня косейсмических эффектов в рыхлых отложениях с учетом угла падения плоскости сейсмогенерирующего разлома и средней глубины землетрясений в Байкальской рифтовой зоне. В правом нижнем углу продемонстрирована реконструкция местоположения гипоцентра. Условные обозначения: 1 — населенный пункт; 2 — изолинии параметра SUMspp; 3 — точки наблюдения с максимумами SUMspp; 4 — область с максимальной интенсивностью проявления косейсмических деформаций в грунтах (а), направление среднего азимута падения Дельтового разлома (б) и проекция Дельтового разлома с глубины 15 км при среднем угле падения 60°; 5 — инструментальный эпицентр Среднебайкальского землетрясения 29.08.1959 г. по данным БФ ГС СО РАН (1) и макросейсмический эпицентр Цаганского землетрясения 12.01.1862 г. по данным: БФ ГС СО РАН (2), [New Catalog., 1982] (3), [Голенецкий, 1996] (4), представленным в настоящей работе (5)

в геологической среде. В работе демонстрируется, что на пространственное распределение структур сейсмогенного разжижения грунта, главным образом, влияет магнитуда землетрясения, начиная с Ms = 5.2 и выше, и гидрогеологические особенности территории исследования.

В региональном плане прослежена тесная пространственная связь вторичных косейсмических эффектов с ассоциируемыми дизъюнктивными нарушениями, и, следовательно, областями динамического влияния последних. Причем для структур разжижения такая связь в среднем в 10 раз выше, и уже 71 % из них локализуются в пределах 20

16

км от сейсмогенерирующего разлома. Кроме того, важно, что в ходе анализа данных не отмечено существенного влияния глубины гипоцентров коровых землетрясений на образование косейсмических эффектов разжижения.

Таблица 1. Параметры модели индивидуального геолого-геофизического сейсмогенного источника на сегменте Дельтового разлома «с. Кудара - мыс Облом»_

Параметр Значение

Длина(м) 30000

Ширина по падению (м) 17300

Максимальная глубина (м) , 15000

Минимальная глубина (м) 0

Средний азимут простирания (градусы) 55

Средний азимут падения (градусы) 325

Средний угол падения (градусы) 60

Кинематический тип сброс

Максимальная амплитуда единичной подвижки (м) 8

Максимальная магнитуда единичного сейсмического события Ms 7,4

Необходимо подчеркнуть, что в настоящей работе продемонстрированы возможности адаптации стандартных геолого-структурных и тектонофизических наблюдений к палеосейсмогеологическим траншейным исследованиям. На основании такого комплексного подхода детально изучены и охарактеризованы деформационные структуры в эпицентральных областях Цаганского 12.01.1862 г. и Мондинского 4.04.1950 г. землетрясений, с обоснованием их сейсмогенного происхождения. Особое внимание было уделено разрывным нарушениям, сейсмитам и воронкам-провалам грунта. В ходе совокупного анализа данных установлено, что хрупко-пластические разновидности структур разжижения и провальные воронки распределяются в пространстве неравномерно, а с приближением к ассоциируемому источнику сейсмических колебаний постепенно увеличивается их густота и интенсивность проявления.

Важными практическими следствиями проведенного исследования можно считать представленные методику реконструкции местоположения макросейсмического эпицентра землетрясения доинструментального периода наблюдений и вычисление параметров модели сейсмогенного источника. В целом, они основываются на выявленных закономерностях распределения деформационных структур, как в осадочных разрезах, так и в плане и, вместе с тем, на геометрии инициирующего разлома. Реализация методики в диссертационной работе продемонстрирована на примере катастрофического Цаганского землетрясения.

Таким образом, в настоящей работе прослежены некоторые закономерности формирования и пространственного распределения косейсмических эффектов на разных масштабных уровнях. В будущем автор предусматривает продолжение исследований в изучении вторичных деформационных сейсмоструктур в осадочных отложениях разных регионов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, включенных в «Перечень...» ВАК Минобрнауки РФ

1. Лунина О.В., Андреев A.B., Гладков A.C. Локализация эпицентра землетрясения доинструментального периода на основе количественного анализа косейсмических деформаций в рыхлых отложениях // Доклады Академии Наук, 2011, т. 438, № 4, с. 543549.

2. Лунина Ö.B., Андреев A.B., Гладков A.C. По следам Цаганского землетрясения 1862 г. на Байкале: результаты исследования вторичных косейсмических деформаций в рыхлых осадках // Геология и геофизика, 2012а, т. 53, № 6, с. 775-790.

3. Андреев A.B., Лунина О.В. Параметры землетрясений и пространственное распределение косейсмических эффектов на юге Сибири и Монголии // Вопросы инженерной сейсмологии, 2012, т. 39, № 2, с. 37-68.

Статьи и тезисы в других изданиях

4. Лунина О.В., Гладков A.C., Андреев A.B. Вторичные косейсмические деформации в четвертичных отложениях района дельты р. Селенги (Байкальская рифтовая зона) // Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту): Материалы совещания. Вып. 7. - Иркутск: ИЗК СО РАН, 2009. -В 2-х томах. - Т. 1, с. 179-181.

5. Андреев A.B. Сейсмогенные деформации в осадочных отложениях плейстосей-стовых областей прошлого: обзор представлений и методов изучения // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований: Материалы Всерос. науч.-техн. конференции «Геонауки», посвященной 80-летию факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии. Вып. 10. - Иркутск: ИрГТУ, 2010, с. 97-101.

6. Андреев A.B., Лунина О.В. Доказательства сейсмогенной природы деформационных структур в голоценовых отложишях Селенгинской и Оймур-Энхалукской впадин Байкальской рифтовой зоны // Кайнозойский континентальный рифтогенез: Материалы Всерос. симпозиума с международным участием, посвященного памяти H.A. Логачева в связи с 80-летием со дня рождения / Под редакцией Е.В. Склярова, C.B. Рассказова. Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2010. - В 2-х томах. - Т. 1. - С. 43-46.

7. Гладков A.C., Лунина О.В., Андреев A.B. Разрывные нарушения и сейсмиты в центральной части Тункинской рифтовой впадины // Кайнозойский континентальный рифтогенез: Материалы Всерос. симпозиума с международным участием, посвященного памяти H.A. Логачева в связи с 80-летием со дня рождения / Под редакцией Е.В. Склярова, C.B. Рассказова. Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2010. - В 2-х томах. -T. 1.-С. 95-97.

8. Андреев A.B. Разрывные деформации, поля напряжений и сейсмиты в плейсто-сейстовой области Цаганского землетрясения 1862 г. (Прибайкалье) // Электронный сборник тезисов Пятой Сибирской конференции молодых ученых по наукам о Земле. -Новосибирск, 2010.-1 CD-ROM. - Загл. с диска. - Системные требования: Adobe Acrobat Reader [сайт]. URL: http^'/sibconf.igm.nsc.ru/sbornik_20 t0/0S_regiona!/575.pdf

9. Андреев A.B., Лунина О.В. Анализ параметров косейсмических деформаций в эпицентральной зоне катастрофического Цаганского землетрясения 1862 г. // Строение литосферы и геодинамика: Материалы XXIV Всероссийской молодежной конференции (Иркутск, 19-24 апреля 2011 г.). - Иркутск: ИЗК СО РАН, 2011, с. 20-22.

10. Алексеев C.B., Алексеева Л.П., Гладков A.C., Лунина О.В., Кононов A.M., Ан-

18

дресв А.В. Криогенные и сейсмогенные деформации в позднекайнозойских отложениях Тункинской впадины Байкальской рифтовой зоны // Материалы IV конф. геокриологов России (МГУ, 7-9 июня 2011 г). - М.: Университетская книга, 2011, т. 2, с. 272-278.

11. Андреев А.В., Лунина О.В., Гладков А.С. Оценка параметров сейсмогенного источника Цаганского землетрясения 1862 г. по результатам изучения косейсмических деформаций в рыхлых отложениях (Байкальская рифтовая зона) // Проблемы сейсмотектоники: Материалы XVII Международной конференции 20-24 сентября 2011 года / Под ред. акад. А.О. Глико, д.г.-м.н. Е.А. Рогожина, д.г.-м.н, Ю.К. Щукина, к.г.-м.н. Л.И. На-дежка. - Москва, 2011, с. 91-94 (на CD-диске).

12. Лунина О.В., Андреев А.В., Гладков А.С. Оценка интенсивности проявления косейсмических деформаций в рыхлых осадках для локализации эпицентра землетрясения доинструментального периода // Тектоника, магматизм и геодинамика Востока Азии: VII Косыгинские чтения: материалы Всероссийской конференции, 12-15 сентября 2011, г. Хабаровск / отв. ред. А.Н. Диденко, Ю.Ф. Манилов. - Хабаровск: ИТиГ им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, 2011, с. 391-393.

13. Andreev A.V., Lunina O.V. Relationships between earthquake parameters and spatial distribution of associated liquéfactions in the South of Siberia and Mongolia // Book of abstract 33-rd General Assembly of the European Seismological Commission (YSTC 2012), 25 -30 August 2012, Obninsk. - M., PH "Poligrafiqwik", 2012, p. 429.

14. Андреев A.B., Лунина O.B. Закономерности распределения вторичных косейсмических эффектов относительно сейсмогенерирующего разлома (для Монголии и юга Сибири) II Современная геодинамика Центральной Азии и опасные природные процессы: результаты исследований на количественной основе: Материалы Всероссийского совещания и молодежной школы по современной геодинамике (г. Иркутск, 23-29 сентября 2012 г.). -В 2-х т. - Иркутск: ИЗК СО РАН, 2012, т. 1, с. 76-79.

15. Лунина О.В., Андреев А.В., Гладков А.А. Косейсмические эффекты в природной среде: новый подход к организации данных для их анализа и визуализации // Современная геодинамика Центральной Азии и опасные природные процессы: результаты исследований на количественной основе: Материалы Всероссийского совещания и молодежной школы по современной геодинамике (г. Иркутск, 23-29 сентября 2012 г.). — В 2-х т. - Иркутск: ИЗК СО РАН, 2012, т. 2, с. 42^4.

16. Лунина О.В., Гладков А.С., Андреев А.В., Гладков А.А. Тектонофизическое изучение косейсмических эффектов в природной среде // Третья тектонофизическая конференция в ИФЗ РАН. Тектонофизика и актуальные вопросы паук о Земле: Тезисы докладов Всероссийской конференции. - В 2-х томах. Т. 2. — М.: ИФЗ, 2012, с. 130-133.

17. Андреев А.В., Лунина О.В. Соотношения между параметрами землетрясений и максимальными расстояниями от эпицентра, гипоцентра и разлома до места локализации косейсмических эффектов для юга Сибири и Монголии // Третья тектонофизическая конференция в ИФЗ РАН. Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле: Тезисы докладов Всероссийской конференции - в 2-х томах. Т. 2. -М.: ИФЗ, 2012, с. 85-88.

18. Лунина О.В., Андреев А.В., Гладков А.С., Кузьмин И.В. Характеристика сейс-могенных деформаций Мондинского землетрясения 4.04.1950 г. (юго-западный фланг Байкальской рифговой зоны): новые данные // Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту): Материалы совещания. Вып. 10. - Иркутск: ИЗК СО РАН, 20126. - В 2-х томах. - Т. 1, с. 162-164.

19

Андреев Артём Владимирович Вторичные косейсмические деформации в геологической среде: тектонофизический анализ (на примере юга Сибири). Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата геол.-мин. наук. Подписано в печать 13.12.2013. Заказ № 1020 Формат 60x90/16. Объем 1,2 усл. печ. л. Тираж 150 экз.

Отпечатано в типографии: ИЗК СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Андреев, Артём Владимирович, Иркутск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЗЕМНОЙ КОРЫ

04201455593 Андреев Артём Владимирович

ВТОРИЧНЫЕ КОСЕЙСМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ: ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

(НА ПРИМЕРЕ ЮГА СИБИРИ)

Специальность 25.00.03 - геотектоника и геодинамика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель к. г.-м. н. О.В. Лунина

На правах рукописи

Иркутск-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................. 4

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ КОСЕЙСМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ.............................. 11

1.1. Тектонические землетрясения, их параметры и последствия в пределах

района исследования................................................................................................. 11

1.2. Сейсмогенные дислокации, наблюдаемые на дневной поверхности................... 17

1.3. Сейсмогенные дислокации, наблюдаемые в разрезе осадочных отложений..... 23

1.4. Основные выводы..................................................................................................... 36

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................... 39

2.1. Статистическая обработка данных.......................................................................... 39

2.2. Подготовка к проведению полевых работ............................................................... 41

2.3. Полевые геолого-структурные методы................................................................... 42

2.3.1. Наземное обследование................................................................................ 42

2.3.2. Изучение разрезов четвертичных отложений............................................ 45

2.4. Некоторые особенности обработки полученной информации............................. 48

Глава 3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И ВТОРИЧНЫХ КОСЕЙСМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ....................................................................................................... 53

3.1. Структура базы данных по вторичным косейсмическим эффектам.................... 53

3.2. Исходные данные....................................................................................................... 61

3.3. Анализ эмпирических соотношений между параметрами землетрясений и пространственным распределением вторичных косейсмических эффектов в пределах территории исследования......................................................................... 68

3.4. Сравнение предложенных эмпирических соотношений между параметрами землетрясений и пространственным распределением косейсмических эффектов разжижения для разных регионов мира................................................. 76

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВТОРИЧНЫХ СЕЙСМОГЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ЭПИЦЕНТРАЛЬНЫХ ОБЛАСТЯХ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

ПРИБАЙКАЛЬЯ.......................................................................................................................... 82

4.1. Сейсмогенные структуры в рыхлых отложениях эпицентральной зоны

Цаганского землетрясения 12.01.1862 г.................................................................. 82

4.1.1. Краткая геолого-структурная характеристика района.............................. 83

4.1.2. Исторические описания последствий Цаганского землетрясения........... 85

4.1.3. Результаты полевых исследований и наблюденные

деформационные структуры........................................................................ 87

4.1.4. Анализ параметров деформационных структур........................................ 97

4.2. Вторичные косейсмические дислокации в эпицентральной области

Мондинского землетрясения 4.04.1950 г................................................................ 107

4.2.1. Краткая геолого-структурная характеристика района.............................. 107

4.2.2. Предшествующие исследования Мондинского землетрясения............... 111

4.2.3. Результаты полевых исследований в эпицентральной области Мондинского землетрясения........................................................................ 115

4.2.4. Анализ параметров деформационных структур........................................ 130

Глава 5. ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ДАННЫХ ПО ВТОРИЧНЫМ КОСЕЙСМИЧЕСКИМ ЭФФЕКТАМ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ....................................................................................................... 136

5.1. Использование количественных параметров вторичных сейсмогенных структур в рыхлых отложениях для локализации эпицентра доинструментального землетрясения на примере Цаганского сейсмособытия 12.01.1862 г................................................................................................................. 138

5.2. Определение параметров сейсмогенного источника Цаганского землетрясения 12.01.1862 г....................................................................................... 143

5.3. Некоторые особенности проявления и распределения вторичных косейсмических эффектов в эпицентральных областях землетрясений............. 146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................... 149

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................. 151

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................................... 171

Приложение А. Пример вывода отчета в виде html-страниц по объекту слоя «Косейсмические эффекты» из главного окна информационной системы

«ActiveTectonics»..................................................................................... 171

Приложение Б. База данных по землетрясениям инструментального периода наблюдений и вызванным ими вторичным косейсмическим эффектам в

геологической среде в пределах координат 42°-62° с.ш. и 80°-124° в.д........................ 177

Приложение В. Список литературных источников к базе данных (Приложение Б).... 191 Приложение Г. Классификация косейсмических эффектов в геологической среде.... 196 Приложение Д. Параметры косейсмических деформаций в рыхлых, отложениях эпицентральной области Цаганского землетрясения 12.01.1862 г., измеренные и рассчитанные в точках наблюдения.................................................................................. 198

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Оценка сейсмической опасности различных территорий всегда являлась актуальной задачей. Достоверность такой оценки напрямую зависит от полноты полученной информации по каждому сильному землетрясению. В настоящее время в мировой практике изучаются не только первичные сейсмогенные разрывы, но и вторичные косейсмические деформации, к которым относят сейсмогравитационные трещины, обвалы и оползни, а также инициированные сейсмическими процессами структуры разжижения и флюидизации в рыхлых водонасыщенных четвертичных отложениях, за которыми закрепился термин А. Сейлахера «сейсмиты» [Seilacher, 1969]. Поскольку многие землетрясения локализуются внутри отрицательных форм рельефа, благоприятных для интенсивного осадконакопления, изучение сейсмитов в познании сейсмического события представляет большой интерес. В пределах территории юга Сибири рыхлыми осадками перекрыты значительные площади, причем отложения часто водонасыщены и подвержены косейсмическому разжижению.

Возможность неуплотненного осадка под действием вибрации разжижаться и образовывать подобные сейсмитам структуры была доказана экспериментально П. Куененом еще в 1958 г. [Киепеп, 1958]. С тех пор немало зарубежных ученых занималось данной проблемой, о чем свидетельствуют многочисленные публикации [Sims, 1975; Hempton, Dewey, 1983; Vittori et al, 1991; Rodríguez-Pascua et al., 2001; Obermeier et al, 2005; Brustur, Jipa, 2007; и мн. др.]. С конца 90-х гг. XX века подобные работы стали появляться и в отечественных изданиях [Бауман, Корженков, 1998; Корженков и др., 1999; Корженков, 2006; Поволоцкая и др., 2004; 2006; Корженков и др., 2007; Деев и др., 2005;2012; Николаева, 2009; и др.]. Стоит отметить, что для многих районов нашей страны, в том числе и для юга Сибири, выявление сейсмитов затрудняется наличием подобных по форме структур криогенного происхождения. Таким образом, необходимы анализ накопленного материала

по данной тематике и разработка приемов и методов исследования сейсмогенных деформационных структур с апробацией в специфических региональных условиях.

Сейсмическая летопись территории исследований, в целом, характеризуется как неполная. Первые известные сведения о землетрясениях датируются XVII в. Предшествующие палеосейсмогеологические работы, в основном, были направлены на изучение сейсмогенных разрывов, образующихся в результате сильных подземных толчков. Согласно известным статистическим соотношениям, например П. Галли [ОаШ, 2000], магнитудный порог образования структур разжижения сравнительно ниже, что значительно расширяет возможности наполнения хроники землетрясений.

Комплекс работ, включающий современные тектоно физические подходы, основанные на применении меры и числа, в сочетании с методами структурной геологии и палеосейсмогеологии, видится весьма перспективным с точки зрения оценки распространения и локализации вторичных косейсмических эффектов в геологической среде.

Цель исследований.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей проявления и распределения вторичных эффектов от землетрясений в геологической среде, а также их связи с сейсмогенерирующими разломами в пределах юга Сибири и прилегающих территорий.

Задачи и методы исследований.

1. Изучить формы проявления, условия и особенности образования сейсмогенных деформаций в позднекайнозойских отложениях на выделенных эталонных участках Прибайкалья.

2. Усовершенствовать структуру базы данных по вторичным косейсмическим эффектам с использованием реляционной модели введения и отображения их параметров.

3. Осуществить наполнение базы данных опубликованным материалом макросейсмических обследований последствий инструментально

зарегистрированных землетрясений, а также информацией собранной во время полевых работ для территории в рамках координат 42°-62° с.ш. и 80°-124° в.д.

4. Установить статистические зависимости, связывающие параметры землетрясений и вторичных косейсмических эффектов в геологической среде для территорий юга Сибири (РФ) и Монголии.

5. Выявить связь разрывной тектоники и структур разжижения от землетрясений в сейсмоактивных зонах.

Для решения поставленных в работе задач использовался комплекс геолого-структурных и тектонофизических методов применительно к сейсмогеологическим траншейным исследованиям. Статистический анализ данных выполнен путем построения граничных кривых и установления предельных эмпирических соотношений при помощи современных статистических программных пакетов.

Фактический материал и личный вклад автора.

В основу диссертационной работы положены данные, собранные во время проведения полевых работ в составе структурно-геологического отряда ИЗК СО РАН с 2009 г. по 2013 г. на территории Прибайкалья, обработанные и проинтерпретированные при непосредственном участии автора. Это, прежде всего, материалы документации зачисток и канав, в которых была получена обширная информация о количественных характеристиках сейсмогенных структур. Для установления статистических зависимостей между параметрами инструментальных землетрясений (магнитудой по поверхностным волнам М^, эпицентральной интенсивностью /о по шкале М8К-64, с учетом типа подвижки в очаге) и вызванных ими вторичных косейсмических эффектов (разжижения и флюидизации в грунтах, гидрогеологических аномалий, воронок-провалов, трещин, сейсмогравитационных движений материала, волнообразных колебаний дневной поверхности, нарушений в техногенных сооружениях) самостоятельно отобраны, систематизированы и проанализированы данные, опубликованные в литературе и интерактивных ресурсах, а также хранящиеся в архивных источниках.

Защищаемые положения:

1. На юге Сибири и сопредельной территории более половины вторичных косейсмических эффектов в геологической среде расположены в пределах 20 км от разлома, инициирующего землетрясение. При сравнении случаев разжижения грунта и остальных, изученных в совокупности, вторичных эффектов, первые выявляются на расстоянии, в среднем в 10 раз ближнем к сейсмогенерирующему разлому.

2. Образование эффектов разжижения на юге Сибири и сопредельной территории происходит при землетрясениях с магнитудой М$> 5.2 и глубиной гипоцентра от 10 до 40 км. Формирующиеся при косейсмическом разжижении кластические дайки пространственно тесно связаны с разрывной тектоникой и являются надежными индикаторами для определения эпицентральных зон доинструментальных землетрясений.

3. При приближении к источнику сейсмических колебаний частота встречаемости и размеры проявления вторичных деформационных структур увеличиваются неравномерно, а местоположение макросейсмического эпицентра доинструментального землетрясения обоснованно определяется на основании анализа совокупности количественных параметров сейсмогенных деформаций с учетом геометрии ассоциируемого разлома.

Научная новизна. В настоящей диссертационной работе предложены региональные зависимости между параметрами землетрясений и пространственным распределением вызванных ими эффектов в геологической среде. Они основываются на собранном и обобщенном автором обширном материале по последствиям от инструментальных землетрясений, произошедших на территориях южной Сибири (РФ), Монголии и северо-востока Казахстана. Данный материал составляет также наполнение новой реляционной базы данных по вторичным косейсмическим эффектам в геологической среде, которая может быть реализована в интерактивной среде.

Впервые выявлены региональные закономерности в локализации структур косейсмического разжижения грунта относительно всех других

сейсмодеформаций и инициирующего разлома с учетом преобладающего типа подвижки вдоль него. В отличие от существующих подобных соотношений для разных районов мира, в работе показано влияние на пространственное распределение эффектов разжижения от сейсмоисточника местных гидрогеологических факторов.

Новыми данными являются детально изученные геолого-структурными и тектонофизическими методами вторичные сейсмогенные дислокации в осадочных отложениях эпицентральных областей Цаганского 12.01.1862 г. и Мондинского 4.04.1950 г. землетрясений. Дана численная характеристика структур разжижения, а также введены новые параметры для оценки интенсивности проявления хрупко-пластических типов сейсмитов.

В диссертационном исследовании обосновано положение эпицентра Цаганского сейсмособытия в точке с наибольшим количеством совпадений максимальных значений параметров всех косейсмических дислокаций. На основании этого предложен новый подход, позволяющий определять макросейсмический эпицентр доинструментального землетрясения.

Практическая значимость. Предложенные в работе статистические соотношения и подход для реконструкции эпицентра землетрясения могут служить важными инструментами при палеосейсмогеологических исследованиях для оценки параметров сейсмособытий прошлого. Соотношения также будут полезны при инженерно-геологических изысканиях (например, при проектировании сооружений разного рода на определенных расстояниях (11е) от известных сейсмогенных источников).

Содержащаяся в базе данных по косейсмическим эффектам информация позволяет оценивать пункты, потенциально восприимчивые к разнообразным нарушениям в геологической среде при будущих землетрясениях. Сама база данных является удобным аппаратом для различных сейсмотектонических построений.

Практическим следствием комплекса работ, проведенных в эпицентральной области Цаганского землетрясения 12.01.1862 г., служит

параметрическая характеристика модели его сейсмогенного источника. В дальнейшем подобные исследования могут быть полезны при обосновании выделения зон возможных очагов землетрясений (ВОЗ).

Апробация работы и публикации. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийском научном совещании «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 11-14 октября 2009 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки» (г. Иркутск, ИрГТУ, 12-14 апреля 2010 г.), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Кайнозойский континентальный рифтогенез», посвященном 80-летию со дня рождения академика Николая Алексеевича Логачева (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 7-11 июня 2010 г.), XXIV Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 19-24 апреля 2011 г.), XVII Всероссийской конференции с международным участием «Проблемы сейсмотектоники» (г. Москва, им. О.Ю. Шмидта ИФЗ РАН, 20-22 сентября 2011 г.), European Seismological Commission 33-rd General Assembly (YSTC, Obninsk, 2012, 25-30 August), Всероссийской молодежной школе по современной геодинамике (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 23-29 сентября 2012 г.), Третьей тектонофизической конференции «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле» (г. Москва, им. О.Ю. Шмидта ИФЗ РАН, 8-12 октября 2012 г.), X юбилейном научном совещании «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (г. Иркутск, ИЗК СО РАН, 17-20 октября 2012 г.).

Автором самостоятельно и в соавторстве опубликовано 19 научных работ, из них по теме диссертации 18, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ.

Связь работы с научными проектами. Диссертац�