Быстрыегеолинамические процессы и структурообразование в литосфере (на основе инструментальных наблюдений)

Котляр, Петр Ефимович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Быстрыегеолинамические процессы и структурообразование в литосфере (на основе инструментальных наблюдений)
ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Автореферат диссертации по теме "Быстрыегеолинамические процессы и структурообразование в литосфере (на основе инструментальных наблюдений)"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И МИНЕРАЛОГИИ

На правах рукописи

КОТЛЯР Петр Ефимович

БЫСТРЫЕ Г Е О Д И Н А М И Ч Е С К И Е ПРОЦЕССЫ И С Т Р У К ТУ Р О О Б Р А 3 О В А Н И Е В ЛИТОСФЕРЕ (на основе инструментальных наблюдений)

(04.00.04 — геотектоника)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Новосибирск 1992

Работа выполнена в Институте геологии Объединенного института .геологии, геофизики и минералогии СО РАН

Официальные оппоненты: доктор технических наук Б. М. Глинский

(специальность 05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях), Вычислительный центр СО РАН, г. Новосибирск

доктор физико-математических наук Г. М. Цибульчик (специальность 04. 00.22 -геофизика), Институт геофизики СО РАН, г. Новосибирск

доктор геолого-минералогических наук, профессор С. И. Шерман (специальность 04. 00. 04 - геотектоника), Институт земной коры СО РАН, г. Иркутск

Оппонирующая организация: Геологический институт РАН

(г. Москва)

Завдта состоится 5 мая 1992 г. в 10.00 час. на заседании специализированного совета Д. 002.50.03 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, Университетский пр., 3.

С диссертацией можно ознакомиться в бибилиотеке ОИГГиМ СО

РАН.

Автореферат разослан " марта 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к. г. -м. н.

Е. М. Хабаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Огромные массивы ге'олого-геофизи-ческой информации, собранные за эпоху инструментальных наблюдений и сконцентрированные в основном в Мировом центре данных по физике твердой Земли, принципиально позволяют рассматривать вопросы, связанные с выяснением механизмов современной активизации геодинамических процессов. Анализ длительных рядов наблюдений за вариациями различных геофизических полей (даже при ограниченной точности в начале эпохи) и их комплексный анализ позволяют решать разнообразные задачи, связанные с определением пространственно-геометрических параметров тектонических структур и их динамических характеристик. Основную роль в формировании регматической сети в' литосфере играют процессы концентрации энергии в ограниченных объемах пространства и высокие скорости деформаций. Однако наблюдаемые во многих внутриплитных регионах высокие скорости современных движений земной коры не находят объяснения в рамках общепринятого механизма возбуждения - мантийной конвекции, постоянная времени которой значительно превышает время релаксации напряжений в литосфере. Вменение природы быстрых геодинамических процессов может быть использовано как в теоретическом плане для разработки различных сценариев эволюции Земли, так и в практическом - для разработки среднесрочного и краткосрочного прогноза различных неблагоприятных явлений.

Однако вопрос комплексного исследования природы быстрых геодинамических процессов и их влияния на структурирование литосферы в известной литературе освещен недостаточно и требует специального'изучения.

Цель исследования - установить обще пространственно-временные закономерности динамики полей деформаций планетарного, регионального и объектного рангов на основе обработки банков данных геолого-геофизической информации.

Основная цель исследования связана с решением трех главных задач:

1. Анализ возможности использования астрофизической информации (в частности данных о вариациях скорости вращения Земли и пространственном положении оси вращения) для решения геодинамических задач, в том числе отыскание обобщенных параметров, характеризующих энергетику геодинамических процессов и позволяю-

вдх обосновать выбор модели эволюции Земли, наиболее полно соответствующей данным эпохи инструментальных наблюдений.

' 2. Исследование процессов современной тектонической активизации на основе анализа пространственно-временных возмущений в различных геофизических полях, в том числе анализ внутриплитных современных движений, сейсмичности шовных зон и короткопериод-ных возмущений.

3. Разработка методических приемов построения моделей структурирования литосферы и динамики процессов на основе сейсмологических и аэрокосмических банков данных, в том числе численных пространственно-временных моделей действующих вулканов и внут-риконтинентальных разломных структур.

Фактический материал. В качестве основного исходного материала для анализа в диссертации использованы машиночитаемые банки данных, предоставленные для исследований Главной астрономической обсерваторией АН УССР (г. Киев), Мировым центром данных по физике твердой Земли (МЦД Б-2, г. Москва) и лабораторией прикладной математики ШЗ АН СССР (г. Москва), в том числе:

1. По астрометрии:

а) Каталог координат полюса в системе А. Я. Орлова с 1896 г. (с временными срезами 0. 05 года).

б)* Каталог координат полюса в системе Международного бюро времени (г. Париж), обработки Шанхайской обсерватории (КНР) с 1962 г. (с временными срезами в 5 дней).

в)* Каталог координат полюса по данным Международной радиоин-терферомегрической службы (IRIS) с 1980 г. (с временными срезами в 5 дней).

2. По скорости вращения:

а) Каталог среднегодовых изменений длительности суток 16641974 гг.

б) Каталог среднемесячных изменений длительности суток 19611982 гг.

3. По сейсмологии:

а) Каталог сильных.землетрясений мира GSC с 1897 г.

б) Региональные каталоги Международного сейсмологического центра (Newbery, England) 1964-1978 гг., 193 881 сейсмическое событие.

в) Каталог землетрясений Средней Азии и Казахстана 1962-1983 гг., 27 047 сейсмических события.

г) Каталог землетрясений Калифорнии 1900-1974 гг., Калифорнийского отдела шахт и геологии, 39 579 сейсмических событий.

д) 'Каталог землетрясений' на Гавайях 1970-1975 гг. Гавайской вулканологической обсерватории, 31 130 сейсмических событий.

4. Каталоги значений скоростей медленных движений по разлому Сан-Андреас по данным 42 деформографических станций 1968-1972 гг. , 1230 измерений.

5. * Каталог среднегодовых значений' уровня Шрового океана

для 628 пунктов, составленный по Британскому каталогу футштоков.

6. Каталог координат береговых линий.

7. Космические снимки формата 050 системы "Метеор" из архивов Западно-Сибирского регионального центра приема и обработки спутниковой информации ГОСНИЦИПРа

Зейлы, помеченные *) переведены в машиночитаемую форму в порядке выполнения настоящей работы.

Некоторые параметры геофизических полей заимствовались из различных оперативных бюллетней, отечественных и зарубежных литературных источников.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР Института геологии и геофизики СО АН СССР по теме. "Структура и геодинамика разновозрастных складчатых и платформенных областей Сибири в связи с их минерагенией", раздел "Моделирование геологических структур и структурообразующих процессов в прогнозных целях". Номер Гос. регистрации 01860087782.

Основные защищаемые положения

1. Разработаны представления о структурообразующей роли быстрых геодинамических процессов. Возмущения пространственного положения полюса инерции Земли (ось С геоида) вызываются массо-переносом в высокоградиентных зонах и порождают активизацию / тектонических процессов. Изменения амплитуды чандлеровских ко- / лебаний являются обобщенным параметром для оценки энергетики быстрых тектонических процессов. Установлено запаздывание активизации литосферы относительно возмущений положения полюса с резкими вступлениями.

2. Высокочастотные компоненты современной тектонической активизации содержат периодические (Т=б и 42 лет) и случайную (Т=0. 2-1.5 лет) составляющие, которые проявляются в аномальном

характере современных движений земной коры и активизации сейсмических процессов.

3. Установлена корреляция между сейсмической активизацией отдельных регионов в виде'. четко выраженных повторяющихся во времени экстремумов нормированного числа сейсмических событий и определенными направлениями смещения полюса инерции Земли в вековом ходе (векторная зависимость сёйсмичнсшти).

4. Разработаны методические приемы построения моделей структурирования литосферы и динамики процессов на основе сейсмологических (томографическая идеология) и аэрокосмических (идеология "фазового перехода") банков данных. Апробация методик осуществлена на объектном уровне при анализе внутриконти-нентальной сейсмофокальной зоны Гиндукуша (выявлен ступенчатый характер разрывов), при анализе структуры магматических камер и подводяших каналов Гавайских вулканов и анализе процессов извержения (предложена модель магматической камеры в виде системы нестационарных мигрирующих каналов) и на региональном уровне при анализе структурных особенностей Байкальской зоны (раздви-говая модель формирования Байкальского рифта)..

Научная новизна. На основании анализа длительных рядов инструментальных наблюдений установлено, что современные геодинамические процессы имеют сложный старт-стопный характер с возвратными компонентами. В силу этого пространственно-временные модели и прогнозные оценки, построенные на анализе коротких временных рядов, могут быть неадекватны основным механизмам тектогенеза. Выделена особая роль быстрых геодинамических процессов (протекающих за время, меньшее времени релаксации) в структурировании литосферы. Установлена связь периодов современной тектонической активизации с возмущениями пространственного положения оси вращения Земли. Обнаружено явление векторной зависимости сейсмичности. Исследована связь периодической активизации сейсмичности с сезонными вариациями скорости вращения Земли. Обнаружена корреляция между уровнем крупнейших бессточных озер и ротационным режимом Земли. Уточнена структура внут-риконтинентальной сейсмофокальной зоны Гиндукуша и оценена скорость развития структурных нарушений. Построена томографическая модель Гавайской вулканической системы, и определены скорости течения магмы на различных глубинах.

Степень обоснованности главных положений диссертации опре-

деляется: а) использованием обширных массивов геолого-геофизической информации, собранных независимыми исследователями, общедоступных для всех пользователей и представленных в цифровой форме в Мировом центре данных по физике твердой Земли и банках данных других организаций; б) применением четких алгоритмов построения моделей и использованием статистических и машинных методов обработки информации.

Практические и теоретические рекомендации сводятся к следующему:

1. Установленная связь между возмущениями пространственного положения оси вращения Земли и периодами тектонической активизации может быть использована при разработке краткосрочного -прогноза катастрофических сейсмический событий.

2. Разработанная методика построения количественных томографических моделей может служить основой для определения геометрических параметров коллекторов жидких углеводородов.

3. Корреляция между ротационным режимом Земли и уровнем бессточных водоемов может быть использована при прогнозе гидрологического режима на пятилетний период.

4. Метод "фазового перехода" при анализе космических фотоматериалов может быть использован для рекогносцировочного обнаружения аномальных тепловых зон и ретроспективно - для анализа динамики тепловыделения в ранее сооруженных могильниках для захоронения радиоактивных отходов и исследования динамики зон вечной мерзлоты, подверженных мошным антропогенным воздействиям.

5. Обнаруженные быстрые возмущения положения полюса инерции позволяют объяснить ряд особенностей неравномерного протекания геолого-геофизических процессов: временных флюктуаций скорости и направления современных тектонических движений, мигоации сейсмической и вулканической активности и др.

Публикации-и апробации работы. По теме диссертации опубликовано 27 работ, в том числе одна монография (в соавторстве). Основные положения работы докладывались на Международном симпозиуме "Внутриконтинентальные горные области: геологические и геофизические аспекты" (Иркутск, 1987 г.), Международном семинаре "Использование банков данных при региональных исследованиях" (Махачкала, 1988 г.), Международном симпозиуме "Геодезия-сейсмология: деформации и прогноз" (Ереван, 1989 г.), Тре-

тьей международной геохимико-геофизической школе "Геохимические и геофизические проблемы дифференциации Земли" (Звенигород, 1990), Международной конференции "Структура и геодинамика земной коры и верхней мантии" (Москва, 1991 г.) и других конференциях всесоюзного и регионального масштаба, а также обсуждались на научных семинарах Института геологии и геофизики СО АН СССР (г.Новосибирск, 1983-1991 гг.), Вычислительного центра СО АН СССР (г.Новосибирск, 1988 г.), Института физики Земли (г.Москва, 1989'г.), ' ПГО "Аэрогеология" (г.Москва), а также в других организациях.

Объем и структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, семь глав, заключение. Ее объем составляет 206 страниц машинописного текста, 105 иллюстраций, 17 таблиц и список литературы из 322 наименований.

Работа выполнена ц лаборатории тектонического моделирования Объединенного института геологии, геофизики и. минералогии СО РАК '

При проведении исследований' автор постоянно пользовался консультациями и .плодотворно дискутировал с доктором технических наук Е К Кузнецовым и доктором геолого-минералогических наук, профессором Б. М. Чиковым, которым выражает свою искреннюю признательность.

Особую благодарность автор выражает Е Е Вадковскому и Н. А. Сергеевой (МЦД Б-2), А. Д. Гвишиани и ' П. Н. Шебалину (И56 РАН), А. А. Корсунь (ГАО АН УССР) за обсуждение отдельных вопросов и безвозмездную передачу машиночитаемых банков данных и

B. И. Киму за разработку машинных алгоритмов ряда задач.

Большую роль при разработке методик, и интерпретации результатов сыграли критические замечания, высказанные известными специалистами по проблеме А. С. Алексеевым, А. Т. Асланяном, а С. Боровик, Ч. Б. Борукаевым, А. Н. Дмитриевым, А. Д. Дучковым, Н. Д. Жалковским, А. А. кадиком, А. М. Калмыковым, Е П. Кеонджяном,

C. И. Кесельман, Р. К Клиге, Ю. А. Косыгиным, К А. Кутолиным, К Г. Ле-ви, С. В. Лысак, С. М. Молоденским, Е И Мясниковым, Е А. Наумовым, А. А. Никоновым, Б. Г. Поляком, М. П. Прилепиным, М. Е Родкиным, Г. А. Соболевым,- -В. А. Соловьевым, Е Г. Трифоновым, С. А. Федотовым, А. Д. Филиной, С. И. Шерманом, Г, А. Игейнбергом, Я. С. Яцкивом и многими другими. Автор благодарит также всех сотрудников лаборатории тектонического моделирования ОИГГиМ СО РАН, принимавших

участие в обсуждениях и оказавших большую помощь в оформлении работы.

ЧАСТЬ I. ПЛАНЕТАРНЫЕ ГЕОДИНАШЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Глава 1. ГЛОБАЛЬНЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ГИПОТЕЗЫ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Термин "геодинамика" впервые был использован в лекции, посвященной вращению Земли, которая "была прочитана в 1889 г. Дж. Скиапарелли в связи в пятидесятилетием Пулковской обсерватории. Анализируя уровни организации вещества и системные подходы в геологических исследованиях, практически все исследователи выделяют планетарный уровень как главный, придавая ему такое же значение в иерархии геологических исследований, как и общепризнанному - атомно-молекулярному. В. И. Вернадский указывал: "Геологи, наблюдая реальные очень ограниченные по объему Земли геологические процессы, очень часто забывают, что в этих процессах, в том.числе и физико-химических, основные черты определяются прежде всего формой планеты как небесного тела - эллипсоида о трех осях - геоида, близкого к эллипсоиду вращения, как единого целого, по существу его геометрией".

Отсутствие у геологической науки формализованной теории эволюции привело к возникновению и одновременному, практически равноправному, существованию большого числа различных эволюционных гипотез. Например, даже в настоящее время наряду с общепризнанной идеологией плитной тектоники продолжают развиваться такие, казалось бы диаметрально противоположные, эволюционные гипотезы - как неоконтракции и расширения Земли.

В работе предпринята попытка выработки единого методологического и физического подхода к достаточно большой совокупности разнотипных гипотез, основанных на __использовании в качестве обобщенного контролирующего параметра не разрозненных результатов геолого-геофизических наблюдений, а фундаментальных параметров, характеризующих геодинамический режим планеты.

Если принять в качестве такого обобщенного параметра изменение радиуса Земли, то известные глобальные эволюционные геодинамические гипотезы образуют 6 компактных групп.

1. Контракционные гипотезы (родоначальник Ж. Эли де Бомон), основанные на представлении об уменьшении радиуса Земли (I?

2. Гипотезы экспансии (родоначальник М. Рид), основанные на представлении об увеличении радиуса Земли

3. Пульсационные гипотезы (родоначальник В. Бухер), предусматривающие на различных этапах эволюции как увеличение, так и уменьшение радиуса Земли (!?♦})•

4. Гипотезы горизонтальных перемещений (родоначальник А. Снай-дер), предполагающие постоянство радиуса Земли (Р=сопб1) .

5. Ротационные гипотезы (родоначальник А. Бем), предусматривающие противофазные изменения полярного и экваториального радиусов Земли при изменении скорости ее вращения ).

6. Гипотезы гравитационной дифференциации, согласно которым имеет место изменение пространственного положения в основном границы Гутенберга между ядром и мантией как при неизменном радиусе планеты, так и при его вариациях, вызванных гравитационной дифференциацией (Я^-л/аг).

Так как относительные изменения радиуса Земли составляют 10 -10 " и прямое измерение их невозможно, оценка изменений радиуса может быть выполнена косвенным методом на основе закона сохранения момента импульса, что позволяет перейти от измерения радиуса к измерению изменения скорости вращения Земли и полюсного сжатия в соответствии с известным выражением Ч = ¿4)2Н5й"'м"( Полагая геоцентрическую гравитационную постоянную Ш константой, получаем Ц/у = 23ш/и> + . Таким образом,

для решения задачи о характере изменения радиуса планеты осуществляется переход от разрозненных результатов геолого-геофизических наблюдений к использованию данных об угловой скорости вращения и факторе сжатия в исследуемом интервале времени.

Однако относительно короткие ряды инструментальных наблюдений ограничивают ряд исследуемых геодинамических процессов лишь "быстрыми" Кроме того, понятие "быстрые процессы" имеет и значительно более глубокое физическое обоснование.

Результаты исследований в области механики упругопласти-ческого разрушения показывают, что характер поведения твердого тела при различных скоростях деформации принципиально меняется. При малых скоростях тело ведет себя как вязкая среда и разрядка напряжений .осуществляется за счет пластического течения, обусловленного.перемещением дислокаций. При высоких скоростях деформирования геологическая среда ведет себя как упругое тело и разрядка при превышении критического значения касательных

напряжений осуществляется путем образования трещин или разрывов. Граница между быстрыми и медленными процессами в среде устанавливается временем релаксации напряжений, которое определяется отношением эффективной вязкости к модулю сдвига.

Представлены данные о характерных временах релаксации напряжений в различных геосферах.

Указанные теоретические положения и имевшиеся в распоряжении результаты инструментальных наблюдений по существу определили соответствующий набор методических приемов и способов исследования.

Глава 2. ПАРАМЕТРЫ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛОБАЛЬНОЙ ГЕОДИНАМИКИ

2.1. Астрометрические данные в геотектонических задачах

Изучение неотектонических движений в рамках идеологии плитной тектоники требует использования внешних реперов. В качестве таких реперов наиболее целесообразно использование различных астрономических объектов.

Представлены сведения о структуре и измеряемых параметрах современных астрометрических сетей. Особо выделены:

1. Международная астрометрическая сеть, основанная на использовании классических оптических инструментов (зенит-телескопов) и использующая в качестве реперов излучение звезд, регулярные наблюдения осуществляются с 1899 г. по настоящее время. Созданная на ее основе Международная служба движения полюса (International Polar Motion Service) осуществляет определение собственных координат обсерваторий сети и на их основе определение скорости вращения Земли и пространственного положения оси вращения. Независимость системы сбора данных от конкретных прикладных задач и высокая культура наблюдений и обработки данных обеспечивают объективность астрометрической информации. Погрешности определения скорости вращения Земли в этой системе составляют 0.001-0.002 с и 0.01-0.015 секунды дуги (30 см) в определении координат полюса и обусловлены атмосферной рефракцией.

2. Международная радиоинтерферометрическая сеть (International Radio Interferometric Surveying), функционирующая с 1980

г. и использующая в качестве реперов радиоизлучение квазаров, является в настоящее время наиболее совершенной астрометри-ческой системой, свободной от рефракционных погрешностей. Она обеспечивает определение скорости вращения Земли с погрешностью 0.15х10*ус и координат полюса с погрешностью 0.3x10 Vrл. с (т. е. десятые доли см).

Астрометрические наблюдения характеризуются также высокой частотой определений (регулярные наблюдения с 5-дневными интервалами, и интенсивные серии, в пределах, которых определения осуществляются ежедневно).

Материалы астромегрических наблюдений этих сетей систематизированы в виде машиночитаемых файлов и используются в работе для решения геодинамических задач.

2. 2. Вращение Земли, чаидлеровские колебания и сейсмичность

Параметры вращения" Земли объединяют данные о пространственном положении оси вращения и данные об изменениях скорости' вращения. Они характеризуют изменения кинетической энергии объекта для каждого временного среза и могут использоваться для интегральной количественной оценки современных тектонических процессов.

На' основе анализа- рядов инструментальных наблюдений изменения скорости вращения Земли обычно выделяют три компоненты: 1) трендовую составляющую замедления скорости вращения Земли в 1.6х10"3с за 100 лет; 2) нерегулярные флюктуации угловой скорости с характерным периодом, порядка десятилетий и пиковыми, значениями, достигающими 4x10"3 с; 3) сезонные периодические изменения , скорости вращения с максимальным градиентом в июне-июле, составляющем 8x10"5 с/год, что примерно в 20 раз превышает максимальные . значения градиентов скорости флюктуационной составляющей для эпохи 1955-1980 гг.

Анализ вариаций скорости вращения Земли показывает, что все три компоненты связаны с эндогенными процессами. Так, обычно полагают, что трендовая составляющая замедления в 1. 6x10"13 с за 100 лет обусловлена приливными эффектами. Однако строгие расчеты вклада океанических и морских приливов в замедление дают значение 3. lxlO"Jc за 100 лет (Парийский и др., 1972; Кузне-

цов, 1972). Таким образом, теоретически рассчитанные приливные эффекты вызывают замедление в 3. 7x10"15 с за 100 лет, что более чем в 2 раза превышает наблюдаемое значение.

Ускорение вращения Земли в 2.1х10"3с за 100 лет может быть объяснено лишь в предположении о продолжающихся процессах'гравитационной дифференциации. Трудно предложить какое-либо другое объяснение и для флюктуационной составляющей.

Сезонные изменения скорости вращения обычно связывают с перераспределением момента количества движения между твердой Землей и атмосферой. Однако расчеты (Сидоренков, 1986) показывают, что для эпохи 1962-1972 гг. .изменения момента импульса атмосферы в 28 раз меньше изменения момента твердой Земли, что свидетельствует об эндогенной природе и этой составляющей.

В отличие от общепринятого подхода, когда анализируется связь среднегодовых значений скорости- вращения Земли и сейсмическая активность, и с учетом того обстоятельства, что сезонные вариации скорости вращения Земли характеризуются максимальными градиентами, был- выполнен анализ связи сезонных вариаций скорости вращения Земли за период 1964-1978 гг. и сейсмической активности с использованием Regional cataloguies ■ of the International Seismological center, содержащего информацию о 93 589 сейсмических событиях. Массив был разбит на 8 глубинных зон (в км): 0-70, 70-150, 150-300, 300-350, 350-410, 410-490, 490-620 и 620-720, соответствующих известным сейсмическим принципам деления верхней мантии, и на три уровня по энергетике: М<4.5, 4. 5<М<6.0, М>6. 0.

Значимые величины коэффициентов корреляции • получены для сильных коровых землетрясений h=0-70 км, М>6.0, г=0.6+0. 2 для 314 событий и антикорреляция для глубинной сейсмичности h=490-620 км, 4. 5<М<6. О, г=-0. 7+0.1 для 1 286 событий.

Чандлеровские колебания полюса. В середине XVIII века JL Эйлер теоретически показал, что если вращающееся тело не обладает полной сферической симметрией, то пространственное положение оси вращения "такого тела не остается постоянным и ось вращения прецессирует вокруг оси наибольшего момента инерции. При этом полный момент количества движения остается постоянным по величине и направлению, а мгновенные положения оси вращения описывают на поверхности Земли фигуру, близкую к окружности с центром в точке пересечения поверхности с осью С геоида. Экспе-

риментально изменения пространственного положения оси вращения были зафиксированы в середине прошлого века рядом астрономических обсерваторий. Обработка наблюдений, выполненная С. Чанд-лером, позволила выделить в движении полюса два периода: 14-месячный, предсказанный Л. Эйлером, и 12-месячный, связанный с метеорологическими процессами. Так как мгновенное положение оси вращения контролируется положением полюса инерции, который определяется интегральным распределением плотности, то изменения положения полюса инерции характеризуют как поверхностный, так и внутренний массоперенос и являются интегральной мерой тектонических процессов.

Энергия тектонических процессов определяется как энергия чандлеровских колебаний из выражения Е = АНи)2о<2 где А - экваториальный момент инерции, Н - динамическое сжатие земного эллипсоида, со - угловая скорость вращения Земли, об- угол между главной полярной осью инерции и осью вращения Земли.

Анализ астрометрических материалов позволил обнаружить резкие возмущения в траектории полюса. А. Я Орлов [1961] отмечал, что амплитуда чандлеровских колебаний ".... то усиливается, то уменьшается, иногда как бы прекращается и вновь начинается. Земля подвержена, по-видимому, каким-то импульсам, которые сказываются на ее вращательном движении. Вследствие этого свободная нутация не может быть представлена простым гармоническим законом, как это обычно принимается, ее нельзя даже считать непрерывной. Однако бывают такие промежутки времени, когда Земля вращается свободно и устойчиво". Характерное.возмущение траектории полюса 1974 г. приведено на рис. 1.

Разработана методика определения мгновенного положения полюса инерции, основанная на отыскании центра окружности, проходящей через три заданные точки, соответствующие мгновенным положениям оси вращения, что позволяет оценивать изменения кинетической энергии для каждого временного среза.

Показано, что изменения кинетической энергии при возмуще-

ниях траектории полюса составляют 3x10 эрг, что приблизительно на три порядка превышает энергию сильнейших землетрясений.

Обнаружено, что возмущения траектории полюса с резкими вступлениями сопровождаются сильными сейсмическими событиями, причем моменты возникновения землетрясений запаздывают относительно траекторных возмущений на 10-30 дней.

Еис.1. Глубокие возмущения траектории полюса с резкими вступлениями в 1974 г. по данным Международного бюро времени (В1Н, Париж) и моменты возникновения сильных землетрясений 1974 г. о Н»7,5.

Показано, что экстремальные циклы движения полюса, выделенные Л. Л. Костиной и В. И. Сахаровым [1984], с периодом в 42 года, характеризующиеся резким увеличением амплитуды. чандле-ровских колебаний вплоть до О. 5 угл. с коррелируют с замедлением вращения Земли и резким возрастанием" среднегодовых значений выделившейся сейсмической энергии.

2. 3. Аномалии траектории полюса как индикатор тектонической активизации

Выполнен комплексный анализ аномальных возмущений траектории полюса и пространственно-временных возмущений в геофизических полях.

Показано, что в периоды, когда наблюдаются глубокие возмущения пространственного .положения оси вращения Земли, наблюдаются временная кластеризация й значительное повышение сейсмичности, аномальные наклоны^ деформации и движения земной поверхности. Возмущения в геофизических полях в эти периоды имеют глобальный характер и охватывают, как правило, весь земной шар. В качестве примера на рис. 2 представлена динамика заполнения водохранилища на р. Койна (Индия), временное, распределение сейсмичности в. зоне высотной плотины и траектория движения полюса накануне самого сильного из возбужденных землетрясений с М=6.4, произошедшего . 10.12.1967 г. Показано, что всплески сейсмичности вызываются не динамикой-заполнения водохранилища, а соответствуют резким возмущениям траектории полюса

Обобщение материала позволило сделать вывод 'о существовании высокочастотных компонент глобальной тектонической активизации. Индикатором такой активизации являются быстрые нерегулярные изменения пространственного положения оси вращения Земли, которые, по-видимому, -могут быть объяснены лишь изменениями результирующего момента инерции, связанного с массопереносом на границе ядро-мантия. В качестве ответной реакции литосферы возникает целый комплекс тектонических процессов, протекающих одновременно во всей коре и верхней мантии и связанных со стремлением системы обрести новое устойчивое состояние. Эти процессы проявляются в горизонтальных и вертикальных движениях отдельных блоков коры, фиксируемых геодезическими методами и сопровождающихся сильными сейсмическими событиями.

iL IL

I sooo am

1 4000 | 2000

I ----,

e- [<—W63—

i 2220

* 20Б0

I 1380

5 1300

(-»—tsej-

« i? Ol 1 J? 5 24

ч 1S I i

I«—ISS3-

-1SS7 ITS'

»•v 71 «-^1 213%

ци ~ L

JLnHk .»Ij,

4«

mwJjLjffli- JIiJLJU]

г - траектория полюса для 1966 - 1969,95 гг.

Рис. 2. Зависимость между уровнем водохранилища, местной

сейсмической активностью в районе плотины Койна (Индия), разрушенной вследствие землетрясения с М=6.4

10.12.1967 г. (Gupta, 1969), и возмущениями в траектории полюса

те

I3S}

I3SS

isss

2. 4. Астрометрические предвестники сейсмической опасности и краткосрочна прогноз

Анализируется кризисная, ситуация, сложившаяся вокруг проблемы прогноза катастрофических землетрясений. Хорошо известен широко используемый принцип сейсмического актуализма, нашедший свое выражение в сейсморайонированйи и использовании закона повторяемости Гутенберга-Рихтера, но ни его модернизация, ни дополнение структурными данными (сейсмотектоническое районирование) не обеспечивают прогнозирование пространственной локализации, ожидаемой энергетики и, особенно, момента возникновения сильных сейсмических событий.

На примере геодинамических полигонов Калифорнии (США) и Японии показано, что создание мелкомасштабной сети, регистрирующей слабую сейсмичность и современные движения земной коры, на чем настаивают как сторонники классического, так и физико-математического подходов, не обеспечивает получение краткосрочного прогноза.

Выполнен анализ 15 классов предвестников, систематизированных Т. Рикитаке, и показано, что в представленной системе предвестников полностью отсутствуют астрометрические предвестники, характеризующие активизацию планетарных геодинамических процессов. Рассмотрены возмущения пространственного положения оси вращения, способы их выделения. Показано, что обнаруженное запаздывание сильных сейсмических событий относительно возмущений полодии может быть использовано для прогнозирования активизации сейсмических процессов.

Глава 3. БЫСТРЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ РЕГИОНАЛЬНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ

3.1. Классификация быстрых геодинамических процессов

В основу классификации положен принцип пространственного ранжирования инструментально фиксируемых проявлений геодинамических процессов. Она включает глобальные (планетарного масштаба), крупномасштабные (103-10* км), региональные (10£-103 км) и локальные (102и менее км) геодинамические процессы, данные'о

характерной скорости их протекания и.периодичности проявления. Показано, что в подавляющем большинстве эти процессы характеризуются уверенно выделяемыми нерегулярными компонентами. Они характерны для изменения пространственного положения • оси вращения Земли, неравномерности угловой скорости вращения, неравномерности скорости движения и даже изменения направления вращения отдельных плит, скорости вертикальных движений отдельных" блоков земной коры, движения магмы и т. п.

Вариации большинства параметров физических полей, характеризующих геодинамические процессы, составляют 10-(5-10~8 в относительных единицах, причем по мере совершенствования измерительных технологий диапазон вариаций для глобальных процессов сужается, а для региональных и локальных - расширяется, что связано с фундаментальным свойством пространственной и временной интеграции.

3. 2. Нерегулярные составляющие смещения полоса и региональная сейс(,тч1:оеть

Рассмотрена связь траектории смещения полюса инерции Земли (вековой ход) и пространственно-временного распределения сильных сейсмических событий. Анализ траектории смещения полюса выполнялся по трем составляющим: направление смещения полюса , величина вектора смещения Ь и изменение направления смещения л'Р для каждого годового интервала за период 1900-1986 гг. Получены три четко выделенные угловые моды: 1) 0-90°, 2) 180-300° и 3) 320-3505(рис. 3). Максимальная скорость смещения полюса зафиксирована в 1968-1969 гг. и составляет 69.0 см/год. Среднее значение скорости смещения полюса составляет 27.7 см/год. Однако, учитывая сложный характер изменения направлений движения, средняя скорость вдоль доминирующего направления 72° з. д. составляет всего' около 9 см/год. Полученные значения скорости смещения полюса примерно на порядок превышают известные для скорости смещения литосферных- плит.

При анализе связи направления смещения полюса и сильной сейсмичности на поверхности земного шара выделено 8 равных по площади зон - по 4 в северном и южном полушариях с шириной каждой зоны 90°. По данным о движении полюса определялось направление его смещения для каждого годового среза и группировка в

Рис.3 Особенности векового движения Северного полюса: а - движение полюса инерции Земли 1900-1989 гг. (окружностями отмечены годы, когда суммарная сейсмическая энергия превышала Ю25 эрг);

•б - гистограмма распределения сумм длин векторов смещения полюса вдоль различных направлений (тонкая линия) к сглаженные по трём ординатам значения (толстая линия).

соответствии с модовой структурой. По каталогу сильных сейсмических событий Дуды для каждого годового среза определялось число сейсмических событий (независимо от магнитуды), возникающих в каждой из восьми пространственных зон. Результаты статистической обработки, заключавшейся в определении средней частоты сейсмических событий в зависимости от направления смещения полюса инерции, представлены на рис. 4.

Обнаружено явление векторной зависимости сейсмичности, заключающейся в том, что вероятности возникновения сильных сейсмических событий для отдельных пространственных зон имеют четко выраженные повторяющиеся экстремумы, соответствующие определенным направлениям смещения полюса инерции Земли.

3. 3. Быстрые геодинамические процессы и современные изменения уровня Мирового океана

Постоянная времени твердой Земли, определяемая как отношение вязкости к модулю сдвига, весьма велика (для коры порядка 3x10 " с) и не может быть использована для анализа реакции системы на быстрые возмущения. Для гидросферы вводится понятие времени переноса, которое близко к Ю'^с (основанное на среднем значении скорости океанических течений), в силу чего гидросфера отрабатывает "быстрые" возмущения, фиксируемые инструментальными методами. На основе Британского каталога данных водомерных постов земного шара, в котором обобщены результаты многолетних наблюдений по 628 футштокам, анализируется связь современных изменений уровня Мирового океана и быстрых геодинамических процессов. Установлено, что изменения ротационного режима Земли отражаются в изменениях трендов водомерных постов в различных широтных зонах. Наклон трендов меняется и при изменении амплитуды чандлеровских колебаний полюса.

3. 4. Колебания уровня крупнейших бессточных озер и ротационный режим Земли

Выполнен'анализ изменения скорости вращения Земли и колебаний уровня крупнейших бессточных водоемов среднеширотной зоны северного полушария (Каспийское море, Аральское море, оз. Балхаш, Большое соленое озеро, оз. Чаны и др.) и африканских озер,

90°в. д. ЗО'с.ш.

180°в.д.

50 60 70 SO J990

180°3.д. ЗО'с.ш.

90 з.д.

[¿¡J

1300 ~10 го 30 40 SO 60 70 80 1990

Рис.4. Вероятность возникновения сильного сейсмического события с М?;7,0 в двух пространственных зонах а - 0*90° с.ш., 90+180° в.д. (зона II), б - 0+90° с.ш., 1804-90° з.д. (зона III),

расположенных в экваториальной зоне, для периода 1900-1965 гг. Показано, что уменьшению скорости вращения Земли соответствует повышение уровня воды в водоемах среднеширотной зоны и падение уровня в водоемах экваториальной зоны, причем изменения скорости вращения Земли, на 6 лет опережают соответствующие изменения в уровнях водоемов. Расчетные значения коэффициентов корреляции для 6-летнего сдвига составляют г=0; 828+0. 0839 для средне широтных водоемов и г=-0.787+0.10 для экваториальных водое-. мов. Предполагается, что обнаруженная закономерность вызвана изменением подземного притока и связана с характером распределения ■ ротационных .напряжений в земной коре и изменениями общей атмосферной циркуляции, которая также имеет очень высокую корреляцию со скоростью вращения Земли.

ЧАСТЬ II. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ШДЕЛИ СТРУКТУРИРОВАНИЯ ЛИТОСФЕРЫ

Глава А. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ГАВАЙСКОЙ ВУЛКАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

4.1. Сейсмический режим вулканов

Раздел носит обзорный характер. В нем систематизирована информация о сейсмичёском режиме вулканов при подъеме магмы и извержениях. Представлена классификация вулканогенных землетрясений. Показано, что в подавляющем большинстве случаев в периоды подготовки землетрясений отмечается бурная активизация микросейсмических событий, достигающая 1- ООО соб/сут. Показано, что в тех случаях, когда'в зоне активизирующегося вулкана имеется развитая сейсмологическая сеть, информация о пространственном положении очага вулканогенного землетрясения может быть использована для томографической реконструкции пространственной структуры магматических камер и подводящих каналов.

4. 2. Исходные материалы и принципы статистического томографического анализа сейсмологической информации

Обосновывается.выбор Гавайской вулканической системы как объекта исследования. В качестве исходного в работе использован "Каталог землетрясений на Гавайях 1970-1976 гг. " составленный

Гавайской вулканологической обсерваторией (Гонолулу, США), содержащий информацию о 31 130 сейсмических событиях и характеризующийся высокой точностью определения координат гипоцентров (0.001° по латерали и 1 км по глубине).

Основные принципы, заложенные в обработку сейсмологической информации, основаны на:

1) использовании всей сейсмологической информации, относящейся к исследуемой области без каких-либо выборок (в частности по энергетике);

2) иерархичности в выполнении отдельных видов анализа;

3) использовании томографической идеологии (расчленение исследуемого пространства на микрослои) на этапе анализа и статистических сверток информации с определением-барицентрических координат ансамбля событий в отдельных срезах на этапе синтеза.

4. 3. Исходные структурные модели магматических камер

Рассмотрены две возможные структурные модели распределения сейсмичности в магматической камере. В основу первой модели положено предположение, что магматическая камера соответствует классическим представлениям и представляет собой полость, заполненную жидкой магмой. Так как накопление упругих деформаций в жидкости невозможно, сейсмичность в этом случае ограничена относительно узкой зоной контакта магматического расплава со стенками камеры.

Во второй модели полагается, что магматическая камера представляет собой некоторую каркасную структуру, причем сейсмические события распределены равномерно по всему объему магматической камеры. Анализируется распределение сейсмичности в центральных и тонких срезах для таких структур. Показано, что пространственное распределение сейсмичности позволяет однозначно определить структуру магматической камеры.

4. 4. Структура магматических камер и подводящих каналов вулкана Кнлауза

При проведении томографического анализа исследуемая область ( 19. 0-19. 6° с. ш., 155.0-155. 6° з. д. ) разбивалась на ряд тонких слоев (толщина каждого слоя определялась предельным раз-

решением при вычислении соответствующих пространственных координат, содержащихся в файле). Было получено 180 элементарных томографических срезов (по широте й долготе для диапазона глубин 0-60 км с шагом равным 0.01°, горизонтальные срезы для диапазона глубин 0-60 км с шагом.в 1 км и центральные срезы по долготе и широте), которые.использовались для'пространственного анализа структуры магматических камер и подводящих каналов Гавайский вулканов. На рис. 5 представлено распределение сейсмичности на центральном долготном срезе.

Использование томографической идеологии позволило осуществить детальную реконструкцию магматических камер и подводящих каналов. Показано, что развитие сейсмичности в коровой области, отождествляемое с периферической магматической камерой, свидетельствует о том, что классические представления о камере, как о полости, заполненной расплавом,' не подтверждаются материалами обработки сейсмологических данных. Полученные данные свидетельствуют о том, что во всем объеме, отождествляемом с магматической камерой, наблюдается повышенная концентрация сейсмических событий.. Сейсмичность в коровой области имеет сложную канальную структуру и смещена на несколько километров к югу от рифтовой системы вулкана Килауэа. Повышенная концентрация сейсмичности маркирует узко локализованный канал, который .прослеживается до глубины 37 км и выходит на поверхность в районе кальдеры вулкана Килауэа.

Вулкан Мауна-Лоа не имеет собственной системы магматических камер. Его извержения происходят за счет радикальной перестройки подводящей системы от магматических камер, расположенных под кратером вулкана Килауэа.

Обнаружен второй канал концентрации сейсмичности, соответствующий расположению подводного вулкана Лоихи (в 50 км к югу от Килауэа).

4. 5. Динамика процессов извержения

Методика основана на пространственно-временном анализе сейсмичности. Из записанного в хронологической последовательности файла сейсмических событий сформировано 2728 временных срезов, каждый из которых содержал информацию о 100 сейсмических событиях. Срезы имели 90-процентное перекрытие. Для каж-

\шр;0 12 3 15 6

гл\ 101234567 89© 12345676901231567898123456769» 1234567690123456789«

0 1 г

6 7 в 9

10 11 12

20 21 22

29 .

30 1

31 i

32 !

33 1

34 !

35 {

36 ;

37 i

38 ;

39 i

40 1

41 :

42 1

43 1

57 56

1 11 1 1 11 111 1 1 1

1 1

1 1 3 1

и и п г

3122 1221 1 2 1 2 11 211 21 1 1121 и

1 1

1131467667631444456455855435542 13321 1 1 1 2 32456776776545666779996764656311 4131- 11 13122445556556657666767699976655453114 1 2 12334455566566567777554676554453331 1 1 ■ 23154 5555556666778755566855434422211321 1 1213444 456555677777875456667556454540506511 324ч45566668877 6666657777766о6543334564 11 2344444666788866677 668777777775554356752 1121 245645677776776677767688890687644135675 1 -23 244555665656666777778968868687544 2335311 1 1144 5255455556544455655677688868776533213343 211 11213324452 2122.345676778776531333 334 11 1 11 1 314 13333343667777776644433 3211 11 1 1 2 244565677755441 ц 121 i г 42687652 211

1 11

1 1 1

1 1

1 1 311 1 1 11

I11

321

1 1

2 1 1

1 1 2

1 1

11 1

134765322 1 365531

255333 111

531 23321 113 1 1 413 1 1331

13121 1 1 211 1 131441 и 12

1 12254312 1121 112 3454211 и 11 212134543 1

353455322 1

1131 21......... ,

1 1 1 1 23111 .111 155546441 13 111 1 113 121354664541 12 121112131 241 21143455554621 31 11 31 42234321144334545542 1 221 12114334 и 44334553 1 13113132223122122 23335512

и1

1 1 1

1 1

11 11121 212 351 111 1 1 4 21314311112 1

1 1 11212 3232311 11222 32114 11332131 23111 3 1

i 1322 2 и 331 3 212222 2231 342 2 2 11121 34213231

1 11 2 1234 2331 1

i 2 1 343 22 1 1

12 1 11 111211

ii 2111113 1

II 12 11 21 1221

3333

11 1

1 1

1 2

1 1

1 1 11 11 и 1

1 1

1 1 1 1

1 и 1

1 1

и и 1

Рис. 5. Распределение сейсмичности на .. центральном долготном срезе о. Гавайи. Число сейсмических событий 14 889. Широта 19.00-19.60°, долгота 155.27-155.60°, глубины 0-60 км. Числа - показатель степени числа сейсмических событий при основании, равном 2.

дого из временных срезов определялись: 1) усредненные пространственные координаты ансамбля сейсмических событий; 2) дисперсионные характеристики пространственного' распределения сейсмичности; 3) площадь эллипса рассеяния сейсмичности, в латеральной плоскости; 4) усредненное время пространственной выборки.

Кроме того, для каждой пары срезов определялись: 1) вектор сдвига (изменения) координат центра тяжести в распределении сейсмичности при переходе от среза к срезу; 2) приведенное время изменения положения усредненного фронта; 3) скорость перемещения 'сейсмического фронта; 4) приведенное значение элементарного объема, связанного с изменением сейсмичности.

Получены следующие результаты: скорость перемещения сейсмического фронта за редким исключением почти полностью повторяет распределение частоты сейсмических событий во времени, составляет сотни метров в сутки на больших глубинах и резко возрастает в приповерхностной области (1-2 км), достигая значений в 50 км/сутки и более, что связано с увеличением объема продуктов извержения в 5-6 раз, вызванного декомпрессионными эффектами.

Выделено два режима генерации магмы: режим малых скоростей, для которого характерны высокие значения коэффициентов корреляции между пространственными координатами барицентров сейсмичности в последовательных циклах подъема магмы, и высокоскоростной режим, для которого в области магматического канала коэффициенты корреляции сохраняют высокие значения, а в областях, отождествляемых с магматическими камерами, происходит резкое снижение коэффициентов корреляции, обусловленное хаотическим блужданием траекторий в этих зонах при последовательных циклах.

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ВНУТРИКОНТИ-НЕНТАЛЬНЫХ СЕЙСМОФЖАЛЬНЫХ ЗОН

5.1. Исходные материалы и методика их обработки

Анализируются методики выделения скрытых разломов на основе известной связи сейсмичности с активными тектоническими разрывами.' В качестве исходных материалов в работе используются

сейсмологические региональные каталоги, в частности для Гинду-куша - Каталог землетрясений Средней Азии и Казахстана за 1962-1983 гг. , содержащий информацию о 29 136 сейсмических событиях. Методика обработки в значительной степени повторяет принципы, примененные при анализе структуры и динамики вулканических систем. Некоторые отличия связаны с дискретизацией исследуемого пространства, в котором применена многоуровенная иерархия. Пространственный анализ основан на равнозначности сейсмических событий, независимо от их энергетики и момента возникновения. Используется томографическая идеология на этапе анализа, заключающаяся в определении объемной плотности сейсмических событий в элементарных срезах и статистические свертки информации по глубинным срезам на этапе синтеза.

5. 2. Тонкая структура области среднефокусных землетрясений Гиндукуша

Показано, что 14 707 сейсмических событий (50%) произошли на 3% общей территории исследуемого региона Выделен наиболее информативный элемент региона с координатами 36. 0-37.0 ° с. ш. и 70. 0-71. 0°в. д., который характеризуется 6 063 сейсмическими событиями, в котором гипоцентры землетрясений расположены на глубинах от 70 до 260 км. На этапе анализа исследуемый элемент пространства разбивался на элементарные срезы толщиной 10 км, для каждого из которых строилась матрица проекций эпицентров сейсмических событий. На срезах обнаруживается четко выраженная узкая зона долготного простирания, в пределах которой наблюдается аномально высокая плотность сейсмических событий (на фоне полного отсутствия сейсмичности■вне этой зоны).

5. 3. Количественное определение геометрических параметров дизъюнктивной гоны

Для каждого глубинного среза, представляющего собой пространственно-координатную матрицу объемной плотности сейсмических событий, по каждому отдельному столбцу или строке определяются средние значения. Рассмотрены варианты определения среднего геометрического и среднего энергогеометрического, при котором учитывается энергетический вес каждого сейсмического события.

Пространственное положение дизъюнктива определяется аппроксимацией полученных средних значений прямой с использованием метода наименьших квадратов. Ширина дизъюнктивной зоны (или зона активного динамического влияния разлома) определялась . по дисперсии распределения сейсмических событий.

При синтезе структуры (определении угла падения) можно использовать аппроксимацию полученных таким образом средних значений широты или долготы по всем элементарным глубинным срезам наклонной прямой с использованием методов наименьших квадратов. Однако отмечено, что в определенных диапазонах глубин значения широт совпадают до значения дисперсии. Практически совпадают значения широт для глубин 190-240 км, 110-180 км-и 70-100 км (рис. 6). Сопоставление скоростных разрезов Р- и S-волн для этого района, полученных А. А. Лукком и И. Л. Нерс'есовым и ступеней в пространственном положении линий современной геодинамической активности показало наличие четких соответствий в глубинном изменении скоростей распространения сейсмических волн •в верхней мантии Гиндукуша и скачкообразными изменениями пространственного положения широты сейсмофокальной.зоны Гиндукуша.

Предложена новая кусочная 'аппроксимация сейсмофокальных зон, в которой сочетаются вертикальные отрезки, в области глубин для которых характерно постоянство скорости распространения сейсмических волн, и горизонтальные - в плоскостях, где наблюдается скачкообразное изменение скоростей Р- и S-волн.

5.4. Динамика разломообразования

Разработана методика количественной оценки динамических процессов разломообразования. Она основана на дискретизации исследуемого пространства и выделении пространственных координат барицентров ядер распределения сейсмичности в последовательных временных срезах. Показано, что распределение сейсмичности для простейшей разломной структуры неравномерно. . Отмечаются- резкие подъемы сейсмичности в вершинах разрывов и относительно низкая сейсмичность в плоскости разрыва, обусловленная в основном смещениями по разрыву и влиянием зацепов. Для сейсмофокальных зон Гиндукуша был выполнен динамический анализ для четырех временных срезов - 1962-1966, 1967-1971, 1972-1977 и 1978-1983 гг. , в каждом из которых анализировалось прост-

Глубина км • 10г

Еис.6. Топология пространственного распределения сейсмичности дата Гиндукуша I967+I97I гг. Сечение по меридиану 70,5° восточной долготы.

ранственное распределение от 1500 до 3500 сейсмических событий. Было обнаружено, что на фоне стабильных во времени ядер распределения сейсмичности существуют ядра, меняющие свои координаты. Полученные значейия скорости роста глубинного разрыва (200 км) составляют около 2 км/год. Разработанная методика позволяет оценивать направление и скорость развития для глубинных и поверхностных дизъюнктивов и может использоваться при сейсмотектоническом районировании.

Глава 6. РЕШЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ЧАСТНЫХ СТРУКТУРНЫХ И

ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

6.1. Тектонические разрывы и тепловой поток

Рассмотрена задача обнаружения глубинных консервативных разломных структур, перекрытых осадочным чехлом и не выраженных морфологически. Анализируется модель, в. которой однородный тепловой поток пронизывает неоднородный тепловой экран (земная кора с тектоническими разрывами), перекрытый ограниченным по мощности однородным тепловым экраном (осадочный чехол). Показано, что изотермическая поверхность над однородным экраном будет искривляться, отражая градиент теплофизических. свойств вмещающей среды и флюидизированных разрывных зон.

Анализируются дистанционные методы выделения таких зон на основе регистрации инфракрасного излучения. Отмечены ограничения возможности использования инфракрасных методов при выделении латеральных градиентов температур в десятые доли градуса.

6. 2. Метод "фазового перехода" и визуализация геотермических аномалий

Разработана идеология использования азрокосмических фотоснимков видимого диапазона для визуализации геотермических аномалий. Она основана на изменении отражательных свойств воды при переходе "жидкость-твердое тело". Реализация метода требует проведения съемки в-периоды, когда температура окружающего воздуха находится вблизи точки фазового перехода (0-2°С). Геотермические аномалии в этом случае представляют собой зоны с край-

не низким коэффициентами отражения, присущими увлажненным почвенным покровам. Аномалии оконтуриваются областями со снежным покровом, имеющими высокие значения коэффициентов отражения по изотермам нулевой температуры.

Предложенный метод позволяет использовать архивные космические снимки видимого диапазона для визуализации тепловых полей земной поверхности путем переноса информации из инфракрасной в видимую часть спектра, значительно (в десятки и сотни раз) повышает обнаружительную способность благодаря высокому контрасту и сочетает доступность и высокое пространственное разрешение,•присущие обычной фотосъемке.

6. 3. АнгароСеленгмнская геотермическая аномалия и ее тектоническая природа

Представлены материалы апробации метода "фазового перехода" в Прибайкалье. На основе анализа 57 космических 'снимков системы "Метеор" формата 050 за период 1977-1983 гг. в пределах Иркутской и Байкальской впадин выявлена геотермическая зона северо-западного простирания, прослеживающаяся от устья р. Селенги вдоль р. Ангары на расстоянии около 600 км при ширине 50 км. В области пересечения зоны с оз. Байкал наблюдается ее смещение, имеющее трансформный характер.

Рассмотрена корреляция обнаруженной геотермической аномалии с данными о среднегодовой температуре почв в Прибайкалье, данными термокаротажа многочисленных скважин, динамикой вскрытия ледового покрова оз. Байкал и другими геофизическими полями, подтверждающая эффективность предложенного метода.

Метод может быть использован для обнаружения разноранговых геотермических аномалий - от Экибастуз-Кокчетавской (с площадью порядка десятков тысяч квадратных километров) до малоразмерных аномалий в Васюганье.

6. 4. Цкфотные горизонтальные перемещения земной коры в Хубсугул-Байкальском регионе

Рассмотрена возможность использования материалов дистанционного зондирования для регистрации горизонтальных перемещений земной поверхности. На космических снимках системы "Метеор" вы~

делено три независимых признаковых системы, данные которых позволяют предположить значительные (около 70 км) горизонтальные перемещения земной коры в Хубсугул-Байкальском регионе.

1. Методом "фазового перехода" выделен ' перекрытый осадочным чехлом Ангаро-Селенгинский разлом, характерной особенностью которого является смещение Селенгинской части к северу относительно Ангарской. Конфигурация разлома допускает две кинематические интерпретации: сдвиговую - в субмеридиональном направлении' и раздвиговую - в широтном.

2. Отмечается высокая степень подобия- очертаний оз. Хубсугул и Дархатской впадины (коэффициент корреляции 0. 912+0.041). Сдвиг контуров составляет 72.5 км. Наклон вектора сдвига 4° 21' к югу. Вектор сдвига полностью соответствует требуемому для раздвиго-вой кинематической модели.

3. К юго-востоку от оз. Хубсугул в районе 50°с. ш. выделена цепочка из 4 кольцевых структур, диаметр которых составляет около 10 км, предположительно вулканогенного происхождения. Образованный ими вектор сдвига полностью соответствует полученному по 1 и 2 признаковым системам.

Сопоставление с данными изотопной хронологии базальтов Северной Монголии позволяет предположить многоэтапную раздвиговую модель формирования Байкальского рифта с ранними стадиями'около 25 млн. лет.

Глава 7. О ВЗАИМОСВЯЗИ БЫСТРЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И МЕХАНИЗМОВ ЛИТОСФЕРНОГО СТРУКТУРИРОВАНИЯ

Структурирование является одной из важнейших форм самоорганизации вещества и присуще всем уровням структурной иерархии от простейшей кристаллической решетки на атомном уровне до сферически симметричной оболочечной организации - на планетарном. Общий принцип, которым руководствуется система при структурной самоорганизации - минимизация свободной энергии. Структурная самоорганизация на планетарном уровне осуществляется в основном за счет взаимодействия гравитационных и ротационных сил. Процесс самоорганизации завершается образованием границ раздела, которые являются высокоградиентными зонами и характеризуются аномально высокими значениями поглощения энергетических потоков.

Массоперенос, происходящий в любой из геосфер планеты,

сопровождается изменением пространственного положения оси вращения и полюса инерции Земли. Именно в силу этого обстоятельства изменения пространственного положения оси вращения являются интегральной мерой-геодинамических процессов.

Показано, что структурирование литосферы определяется суперпозицией трендовой или медленно меняющейся компоненты, обусловленной в основном гравитационными механизмами, и быстрой нерегулярной компоненты, обусловленной флюктуациями момента инерции планеты, связанными с дифференциальным вращением ядра и мантии.

Анализ известных "парадоксов скоростей" и "парадоксов относительных деформаций" показывает, что современные движения земной коры имеют старт-стопный характер с возвратными компонентами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основная задача, которая ставилась автором - это переход от обобщений и выводов, которые в большинстве случаев делаются на основании ограниченного числа собственных наблюдений, к использованию при анализе всей совокупности данных инструментальных наблюдений, хранящихся в Мировых центрах данных, собранных по единой методологии независимыми наблюдателями и общедоступных для всех исследователей.

2. В работе предпринята попытка поиска обобщенных параметров, характеризующих как эволюционный сценарий в целом, так и отдельные этапы тектонической активизации.

В качестве такого обобщенного параметра для оценки глобальных геодинамических гипотез предложено исследование изменений радиуса планеты, основанное на результатах инструментальных наблюдений вариаций скорости вращения Земли и изменении полюсного сжатия. Однако ограниченный по времени ряд наблюдений за вариациями и крайне сложный характер вариаций скорости не позволяют однозначно выделить трендовую составляющую для современной эпохи.

3. На основании комплексного анализа изменений в параметрах вращения Земли, глобальной сейсмичности и деформациях земной поверхности сделан вывод о существовании высокочастотных циклов современной тектонической активизации. Эти периоды ха-

растеризуются резкими возмущениями в пространственном положении оси вращения Земли и сопровождаются активизацией тектонических процессов в земной коре и верхней мантии.

4. Показано; что изменение угла между мгновенными, положениями полюса инерции и оси вращения может служить интегральной мерой энергетики тектонических процессов.

5. При анализе векового хода полюса- обнаружено явление векторной зависимости сейсмичности, которое заключается в том, что вероятность возникновения сильных сейсмических событий для отдельных пространственных зон имеет четко выраженные повторяющиеся ■ экстремумы, .соответствующие определенным направлениям смещения полюса инерции Земли.

6. Обнаружена связь между колебаниями уровней крупнейших бессточных водоемов и ротационным режимом Земли. Показано, что изменение уровня водоемов запаздывает на 6 лет от вызвавших их изменений скорости вращения, что может иметь определенную прогностическую ценность при решении гидрогеологических задач.

Во второй части работы рассмотрены .некоторые методические приемы, специально разработанные для анализа быстрых процессов структурирования литосферы.

7. Разработана методика томографического анализа структуры магматических камер и подводяидох каналов вулканов. Показано, что магматическая камера в классическом ее представлении в виде полости, заполненной расплавом, 'под вулканом Килауэа отсутствует. Предложена модель магматической камеры в виде системы мигрирующих в пространстве магматических каналов. Разработана методика количественного анализа динамических процессов и определены характерные скорости' подъема магмы.

8. Разработана методика количественной оценки структурных параметров глубинных сейсмофокальных зон. На основе сейсмологических данных уточнена структура области среднефокусных землетрясений Гиндукуша.. Предложена ступенчатая аппроксимация глубинных сейсмофокальных зон вместо широко применяемой аппроксимации наклонно падающей плоскостью. Разработана методика оценки динамики разломообразования.

9. На основе материалов дистанционного зондирования разработана методика выделения консервативных глубинных разломных структур, перекрытых мощным осадочным чехлом. Методика основана на разработанном автором методе "фазового перехода" и позволяет

выделять аномальные .тепловые зоны по материалам космической и аэрофотосъемки видимого диапазона. Представлены результаты апробации методики в Байкальской рифтовой зоне. Продемонстрирована возможность ■ использования материалов дистанционного зондирования для оценки геодинамических процессов в Хубсугул-Байкальском регионе.

Список основньк работ, опубликованных по теме диссертации

1. Котляр П. Е. Некоторые особенности глубинных сейсмофо-кальных зон-// ЭВМ и науки о Земле, Всесоюзная конференция. -Тезисы. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР.- 1986.- С. 27.

2. Котляр П. Е., Соловьев В. А. Обнаружение геотермических аномалий и связанных с ними разломов по космоснимкам (на примере Ангаро-Селенгинской зоны) // Дистанционные исследования при поисках полезных ископаемых. - Новосибирск: Наука, 1986. - С. 129-135.

3. Котляр П. Е. , Чиков Б. М. Сейсмофокальные зоны Гиндукуша и проблема природы границ глубинных геоблоков // Внутриконти-нентальные горные области: геологические и геофизические аспекты (международный симпозиум). - Иркутск, 1987. - С. 372.

4. Котляр Е Е. Широтные горизонтальные перемещения земной коры в Хубсугул-Байкальском регионе // Внутриконтинентальные горные области: геологические и геофизические аспекты (международный симпозиум). - Иркутск, 1987. - С. 58.

5. Калмыков А. М., Котляр П. Е. Использование данных астро-метрических наблюдений для оценки современных движений земной коры // Современная динамика литосферы континентов. - М.: АН СССР, 1988. - С. 36.

6. Котляр П. Е. Пространственно-временные модели Гавайской вулканической системы (томографический анализ сейсмичности). -Препринт N 16. - Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1989. - 40 с.

7. Кузнецов В. Е , Семаков а Н , Доровский В. Е , Котляр П. Е. Физика Земли: новый взгляд на некоторые проблемы. - Новосибирск: Наука, 1989. - 128 с.

8. Котляр П. Е. Использование данных о параметрах вращения Земли при разработке научных основ краткосрочного прогноза землетрясений // Исследования по созданию научных основ прогноза землетрясений в Сибири. - Вып. 4. - Иркутск: ИЗК СО АН СССР, 1989. - С. 49-50.

Информация о работе

Котляр, Петр Ефимович
доктора геолого-минералогических наук
Новосибирск, 1992
ВАК 04.00.04

Автореферат

Похожие работы