Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Модель напряженного состояния неоднородной земной коры и ее приложение к условиям Тянь-Шаньского сейсмогена

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Модель напряженного состояния неоднородной земной коры и ее приложение к условиям Тянь-Шаньского сейсмогена"

•од

' ' НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕЙИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ИНСТИТУТ ИОНОСФЕРЫ

На правах рукописи УДК 550.343

Зантаев Еуиабек Забдвнанович

ЫОДЕЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОДНОРПДИОП ЗЕМНОЙ КОРУ И ЕЕ ПРИЛ08ЕНИЕ К УСЛОВИЯМ ТЯНЬ-ВАНЬСКОГО СЕИСМОГЕНЙ

специальность 04.00.32 - Геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ЙЛИАТ8 1995г.

Работа выполнена в Институте сейсмологии Национальной Академии наук Республики Казахстан и Научно-производственном комплексе по прогнозу селевмх явлений и землетрясений ПО "Казселеэа*ита",

\

Ведущая организация - Объединенный Институт физики Земли Российской Академии наук.

Официальные оппоненты:

чл.-корр. HAH Республики Узбекистан, доктор физико-математических наук, профессор •

чд.-корр. HAH Республики Туркменистан, доктор физико-шшматических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор В.Ф.Копничев

Запита состоится г. b/4*W. на заседании

Регионального специализированного совета Д 53.07.01 при Институте ионосфер* HAH PK (480068, г.Алматн, Кайенское плато).

С диссертацией новно ознакомиться а библиотека Института ионосферу HAH Республики Казахстан.

авторефератразослан " " 1995г.

Зчеимй секретарь Регионального специализированного совета кандидат физико-математических наук

К.Н.Абдуллабеков

Т.А.Амиров

Б.А.Туркеева

(

АКТУАЛЬНОСТЬ

Проблема прогноз» сильных и катастрофических землетрясений в последние несколько лет педошлн в разряд из чисто академического в социальную, экономическую.

Интенсивное развитие наукоемких технологий, с привлечением огромных технических затрат и использованием не всегда подконтрольных энергоемких процессов, связанных с задачами, решение которых возможно при привлечении самых современных достижений науки, требует сверхвысокую надежность самих технологических линий, здяний и сооружений, скуроулезныэ инхенврш-геологическов, сейсмическое,геофизическое исследования территория.

Но все оти задачи на порядок усложняются для районов с естественной сейсмичность» с возмогшим проявлением катастрофических землетрясений. Последствия сильных землетрясений в промншюнно развитых регионах и с интенсивной добычей полезных Ескопаешл могут оказаться опасными дня вколох-кческн равновесного состояния данного региона.

Территория aro и востока Казахстана сопредельные e?s территории, как известно, явякотся наиболее» опзснша в сейсмическом отноаенкя.

Здесь в конца прошлого и в начале этого столетия произошло несколько катастрофических землетрясений а таогвднио 70-80 дэт наблвдвется опасное шсоиявниэ сукиарноЗ деформащи от землетрясений.

В последние несколько лет на территории пго-восточиого Казахстана произошли довольно салышэ землетрясения сБаЯсорунсков и йзйсанское, 1990г.; Теке^ийское, 1993г.э о энергией Кг15-16, показавшие реальность обшкрних ■ разрушений прз сшшннх землетрясениях.

Сущаствугада? вше штода срогноса зеглаэтрясонкй требуют долговременных нпОлодеггий за сейсмичностью, nsnonamnm геофизические и гвдфох'еохйкических явраштро!, э кжзгзстза друпас на основе анализа врвмоншк рядов геофизических, гидрогеохшнческих и др. параметров. Сбйарузека долго- сродяе- и краткосрочные прадвэотпнки. Наступило црзмя дая решэнгя пробдаи, связанных с созданием тодзли очаговых зон землетрясений.

Задача прогнозе зегллетрясения требует нэ только знания $изикя подготсэаи очаге, но я адекватного отраетнш фгаачсских процессов в очагоиых зотах, измеряемых на поверхности Вштч nepsKes'pax.

- А. -

Согласно существующим представлениям коровые землетрясения есть результат механических движений геологических структур из-за . накопления в них избыточного напряжения. Оно разряжается в окружающее пространство в результате разрушения горных пород в ослабленных местах - очагах землетрясений.

следовательно, дяя раскрытая природа землетрясений как геологических явлений необходимо создать твори® с основу:» мехеьики сейсмических щюцэссов. при этом механику корових землетрясений необходимо строить на базе создания, расчетных моделей среды на строгихисход- ных положениях,представлениях и методахсовременной механики деформируемого тела. Она должна отражать свойства породного массива геолого-тектоническов строение и геофизическую рясслоенность земной коры. Именно такой подход решения проблеьзы прогноза землетрясения находятся в начальной стадии исследования.

Рассматриваемая и диссертационной работе проблема построения механико-математических моделей очагопых зон из строгих предпосылок» учитывающих роальное строение земной коры, не.,основа юшх представлений о формировании напряаенно-дефоршрованного состояния ае.м-юй кора, актуальна и представляет собой важную в -научном и народнохозяйственном значении задачу.

Исследования выполнены э рамках плановых тем Института Сейшхиогкй Национальной Академии наук Республики Казахстан 0.74.03. и вошли в отчеты:

"Изучить землетрясения методом механики деформируемого твердого тела. Разработать основы глэгодики расчета механических параметров •ЧАяетрясений I98I-I985 гг." N Гос.per. 0184,0056140, Инв. м 02860058495.

"Создать модель нанрдаэяно-дефордфованного состояния земной коры Северного Тянь-Шаня (1989-1991)."

"Разработать мод&яь сейсмического процесса с учетом естественной кусковатостн горных пород и блокового строения земной коры." Программа 0.74.03. n Гос.рег. 01870048090.

"Разработать механически модель тектонических и сейсмически процессов." Прогрета 0.74.03. м гос.рег. 01870048-91.

Кроме того некоторые результаты работа вокаш в ряд годовых отчетов Сейсмологической опытно-методической экспедиции Института сейсмология и НПК ПО "Казселвзащита".

Целью работы " является разработка теоретической основы сейсмических процесч в в земной коре и на ее безе оценка

сейсмической опасности на территории 'Гянь-Шаньского сейсмогева.

ид»я работы состоит в использования современных методов механики деформируемых сред для физически обоснованного подхода исследований подготовки очага землетрясения, выделения сейсмоопасшх зон по уровню напряженнох-о состояния а выделения прогнозных параметров в наблюдаемых физических полях.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ

разработать расчетные модели напряавшо-Дйформировашгого состояния земной кори в очаговых зонах землетрясений на строгих исходных положениях, представлениях п методах современной ¡даяаники деформируемых тел я дать количественные оценки деформации земной поверхности

- разработать механико-математическую модель аапряз&шю-дефоршро-ванного состояния земной корн иод действием собственного весе реального изостатически скошэнсироввнного рельефа

- разработать механико-катематическуэ модель устойчивости форш равновесия вряиушцейся Земли с переменной угловой скорость» с целью оценки общей сейсмической опасности

- исследовать нанряжешю-деформировашоо состояние эешюй коры иод • 0 действием собственного веса рельефа, пршпгаообразуэдих сил»

прочностннх параметров и оценить се&скичэскую опасность для исследуемом регионы

- разработать расчетные шэдели я иосдодовать закоиоквртомга изменения тмрядашкк-деформированного состояния неоднородной земной коры с реялышм раздомно-блоковым с'»•роением

- разработать расчета!» модели а исследовать связь когда особенностями нанрягевно-Л0фор!«зрованнслч) состояния неоднородной гомнов кора и геомагниткнмя полями и ах прэдавсшякаиа.

гжтоду ИССЛЕДОВАНИЙ

Для решения поставленных задач разработаны метода обработки геоморфологических, х-еотектонических матерявдав я созданы машинные базы данных зегшой коры исследуемого региона, разработаны расчетные модели напрядашю-деформировйкгюго состоят! я земной кор« в очаговой области землетрясений я определена оценка сейсмической опасности по уровни напрягший; решена несвязанная задача напрягвквого состоящая неоднородной среда а магаятяого ноля,

|«18вна задача динамической устойчивости формы равновесия шравномсфно-врмщвмцрго упругого шара в иода сил тяготения.

НАУЧШ НОВИЗНА

Развиты и созданы механико-математические модели деформации земной коры с учетом реология в зоне тектонического разломи и будущего очага землетрясения и их количественная оценка для строгих предпосылок в определения предвестниковых явлений в наблвдаемьга движениях земной поверхности. Создана расчетная модель из строгих предпосылок механики деформируемых сред

напряаюшю-деформироввнного состояния земной коря сейсмоактивных регионов с учотом реального разлошо-блокового строения и рельефа. Разработана методика сбор« геологоморфологическых, геотектонических данных и созданы специальные базы данных с учетом специфики поставленных задач.

Щюведены исследования, сейсмической опасности из стропи математических предпосылок по расчитанному поли напряжений в неоднородной земной коре.

Рассчитаны и построены серия карт различных параметров напряженного состояния земной корн» в земной коре выявлены зоны с опасным уровнем напряжений для территории Тянь-Шаня. Создана механико-математическая модель динамической устойчивости неравномерно вращакцейся деформированной Земли с цельв оценки общей закономерности сейсмичности земного шара.

Создана шханико-математическая модель деформации неоднородной земной кора и формирования локальной геомагнитной вариации на земной поверхности, связанной с изменением напряженного состояния земной коры при сейсмотектоническом процессе, с целью выявления в нвблвдаемых магнитных данных объективных предвестниковых аномалий.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На защиту выносятся следующие наиболее важные результата:

1. Механико-математические модели деформации земной коры в зоне разломов и очага землетрясений и их количественен оценка .

2. Механико-математическая модель напряженно-деформированного состояния земной коры сейсмоопасных районов с учетом реального рельефа и рэзломно-б токового строения и геодишмической обстановки

исследуемого регион«.

3. Оценка сейсмической опасности территории Тянь-Шаня с позиции опасных уровней няирлжений ряссчиттщих по предложенным математическим модвлям в цомной корт и ее картировать для объективного и физически обоснованного ОбЪЯСНОНИЯ сойскичбского режима иоследуомого региона.

4. Кетшко-мятимптнчоскоя дадгаль дишмячес-кой. устойчивости Н»риШ0М0рН0 15[)ящя».ЧЦРЙСЯ в поло сил тяжести деформируемой З&млм и св.чаь с оби^Я сейсмичностью земного шара.

5. Модель дм^ормпциа земной коры и формирование локальной иредввстниконой ¡•яомвпгатной варкшдаи, построенной на роеигмки* с^юении корн дннгного региона и на строгих предпосылках механика доАохмируемих сред.,

КА^-П !.\Я И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНА'-ШМОСТЬ заключайте« в оценке {юли мохншческих щюцоссов и ^орщопатгл очагокнх зон землетрясений, в разработав

математических модел&а да!ф<п«шко-дефзр?/зров8ШК>го состояния • земной кори н зоне разлома я очаге землетрясения, выявлении гцюдиастшнсои« деформаций земной поверхности я их количественной оцедке.

Разработаны сичирншшъ методы обработки геолотюрфодогйчосгшс и геотектонических днших и истюльзовкная их в создншшх математических ноделяг при расчете глнряташто^эфор.®роваявйго СОСТОЯНИЯ земной корн.

Рвссчитенч и построены глубияпыэ раврозн рйсиродзлеикя датрлскетШ под действием шспатенсгроттого веса рельефа для территории Тянь-Шаня. Ваюшвн глубкпшо горкзопта с тсохт уровнем 1шрйк»троз ВЕпряташого состояния. Рзссчате>ш а картирована по гшщэда партвтря нагф/колпого еостояшя для аздаашгк глубзшшх горизонтов и сняялвнм зоны о опасным урохшм напртж&н2Э. Проэедеао сопоставление картированного поля капряженпЗ с естэолюшюЛ сейошчдастш торрхгоркП Тянь-Шаня я показано хорокэс» согласие между зонаиз с шсота«! уроию:1 папряязвпй и «©Яскячяость». Дата количественный гврвкгерястякн перат/зтроо гапрялэтттого состояния для сейсмических и есойсгггеосгаяс районов Тянь-Шаня.

Предложенная модель дянакзчвской устойчивости ксравсокорж) вр&гишаейся дефорятруемоЯ Земля з шла сад. тяготения вятети» ваягать шлоторнв общ13 тхоттщой'т сеЗсьшяиоети гэмяог» вара.

Выявлена закошжзрдастэ ежжальЕих прадрестиакоБмх варзшцйй

i-еомагнитного паля, связанных с напряженно-деформированным состоянием земной корн. .Приведены примеры расчета деформации неоднородной коры Тянь-Шаня и эволюции вариации геомагнитного поля, даны количественные оценки вариации магнитного поля и рекомендации по распределению геомагнитных станций по исследуемой территории с целью объективного выделения предвестникового сигнала иа очаговых зон.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты работы были доложены на vn Всесоюзном совещании по изучению современник движений земной коры (Кишинев, 1982), на ит Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных юрод" (г.Иркутск, 1988), на Всесоюзной школе-семинаре и геолого-геодинвмические исследования сейсмоопасных зонах СССР (г.Фрунзе, 1989), доклад на международном симпозиуме "Геодезия, сейсмология и прогноз" (г.Ереван, 1989), иа Всесошном совещании по тектонофациальному анализу (г.Алма-Ата, 1988), на 11-Республиканской конференции, по проблемам вычислительной математике и автоматизации научных исследований (г.Алма-Ата, 1988).

Кроме того, результаты работы обсуждались на семинарах рабочей группы по механике сейсмических процессов МСССС АНСССР (г.Москве, 1987, г.Ташкент, 1989).

. ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Все рассмотренные в работе задвчипоставлены и реализованы 8втором. Автором получены собственные решения, обоснованы и сформулированы метода сбора данных, созданы пакеты програш и проведены расчеты. Им же предложены я осуществлены методы интерпретации полученных результатов.

Фактический материал, вклотапций геологические и геофизические карты, данные о землетрясениях и другие любезно предоставлены Институтом сейсмологии HAH PK, где автор проработал многие годы. ' •

ПУБЛИКАЦИИ

Результаты исследований опубликованы в 2г статьях, в которых

отряжено основное содержание диссертации.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 222 наименований, содержит 300 страниц текста, 7Г> илюстряций, 2 таблицы.

Настоящие исследования были выполнены в коллективе Института сейсмологии НЛН РК и Научно-производственном комплексе ПО "Казселезащита" и бшш бы невозможны без обсуждения рассматриваемых яогцюсов на научных семинарах Института и производственного комплекса. Автор глубоко благодарен коллега*, общение с которыми позволило ему постоянно повышать своп квалификацию.

Обсуждение перспектив научных исследований, изложоннкх в работе, начаты автором в 1978г. по инициативе академика Ж.С.Ержянова , которому автор глубоко благодарен.

Автор также благодарен за ценную консультативную помощь проф. А.К.Калыбаеву, А.К.Егорову.

Автор благодарен коллегам по Институту сейсмологии за ценные советы но обработке наблюденных данных.

Глубокую признательность автор приносит член-корреспонденту НАН РК А.К.Курскееву оказавшему ввтору содействие в завершении диссертационной работы и давшему ценные консультации.

С0ДЕРЯА*ИЕ РАБОТЫ

Первач гяавя росвяютна аналиуу состояния теории и «от дрв

прогноз« п<-»«»трчсти11й. Проблеш • предсказания, сильных землетрясений из области выявления предвестников в ыногопараметрических наблюдениях постепенно пэроходат в область строгого научного познания самой природа землетрясения.

Наибольшее развитие в последние года получили всслодовааня механики сейсыогенных процессов в земной кора, которые шкно условно разбить на два взаимосвязанных напрвшюнна. Пэргюв -задача шхатки очага землетрясения, вгслючаэдая в себя широкий спектр задач от исследования дшюмшш кзлучавшг из очага вода до современных движений кора в праразломноЗ зона. Второе - задача о напряганно-дефоркированноа состоянии участков земной кори под действием различных тектонических, сейсшческих, тестовых

процессов, влияние на распределение напряжений в Земле от глобальных факторов с изменение скорости вращения Землю.

Если задача первого типа связана с решением и поиском предвестников землетрясений механической природы в очаговой зоне, то задача второго типа исследует закономерности. распределения напряжений и деформаций в земной коре, на фоне которых развивается процесс подготовки землетрясений в очаговой зоне.

Наиболее изученной частью »¡»двеотников при подготовке сильных землетрясений являются изменения параметров сейсмического режима, таких, как отношение скоростей продольных и поперечных волн cvp/V„ механизмов очагов, "взрыв афгерикжов", "рой", "сигма", сейсмическое затишье .

При поисках долгосрочных предвестников из анализа сейсмического режима вразличных сейсмоактивных регионах выделялась некоторая периодичность проявления сильных землетрясений сФедотов С.А., Нерсесов И.Л., Николаевский В.П., Канамори и др.э. Так, для территории Северного Тярь-Шаня выделяется некоторый период группирования ... 7-9 лет сальных землетрясений с интервалам» между группами ' 16-20, лет. Примыкающей к этому типу предвестников является образование области затишья как по количеству сильных землетрясений, так и по высвобожденной энергии.

При обработке долголетних материалов сейсмических данных Гармского полигона обнаружены изменения отношения скоростей перед сильным землетрясением. Было отмечено, что это отношение перед землетрясением начинает убывать, а затем возвращаться до своих средних значений, когда происходит само землетрясение. Отмечена также некоторая зависимость продолжительности бухта и силы землетрясения.

Вариации могут зависеть не только от процессов

подготовки землетрясений. На их вариации оказывают влияние и космические фактор!.

. Достаточно хорошо изучены предвестники по аномальным изменениям деформации и перемещения земной поверхности перед землетрясением. Обобщенней в этом направлении была работа Мещерякова D.A., предложившего описывать смещения земной поверхности в связи с землетрясением в три стадии: « р г.

Фаза « соответствует медленным движениям с малыми скоростями; ft - движениям при подготовке; г - движениям при землетрясении. Консолидационная модель <Добровольский И.А.з, основанная на поведении ансамбля блоков и отдельностей. находящихся в состоянии

движения, представленных в виде трех (¡аз.

Изменение отношения . деформации и других параметров

связано с изменением механического состояния среда, в которой происходит подготовка землетрясения. Это видно из результатов многолетних наблюдений на Алма-Атинском геодинамическом полигоне за движениями реперов нивелирных трасс. Перед Сарыкамышским землетрясением <1Э7?лг> здесь получены смещения земной поверхности, кото{)ыв хорошо согласуются с теоретическими. Отмочены особенности в изменениях приливных деформаций по фазе и амплитуде перед землетрясением сКурскеев А.К., Латынина Л.А.э.

Проявление тектоиомагнитнмх предвестников связано с изменением напряженного состояния породного массива при сейсмотектоническом процессе. Считается, что формирование локальной геомагнитной вариации на земной поверхности является следствием ньезомагнитного эффекта намашиченмых пород сНагата Т.э. Основным и;)[1ямо'1р,'М, хяряктсризуюида изменение намагниченности является пьезомнгчитннй конфрициент, который зависят от намагниченности г<>рнш пород и давления. Оценки показывают, • что м»м(;имялм1мя амплитуда локальной геомагнитной вариации за счет явления пьезомагнетизмя должна составлять единица нТл и лишь ¡три особо блшмнриятных условиях можно ожидать вариации до первых десятков нТл. Причем время существования предвестника и его ¡<ид определяются временем и характером изменении давления.

Геомагнитны" вариации, связанные с землетрясением, возникают в ли/;и обрятиммх изменений магнитного ноля продолмительчоогьет от нескольких часом до меояцвв и лет, амплитудой до нескольких нТл сСковородкин В.П., Перделиеа Е., Курсивов А.К., Шапиро В.Л., Абдуллнбг»1("В К.Н. и другие"'.

ПрИЧИН->й »юЗНИКЧ« >ТОНИЯ 1феД1!0СТШГгЮ»иХ э№>ктов могут служить не только шлзом.Ч1'нят1П1е явления. Они Могут формироваться зя счет »лвкт^жичетическйх процессов и из-за взаимодействия деформационных и аликг^.чапм'пш): полей. В основе эффект« лежит образовании «лнктромагниттюго поли в результате деформационного перемещения частиц и приводящей среди в магнитном статическом ноле, Т'|[>ми[»,.'инии" магистрального р»з[>мва в процессе локплйза:цш сдвиговая д|..|...¡ладции создает благоприятные условия .для появления вариации чжмитного поля в силу ;ф1йкта связакноети дефэрмациошшх и ялектр'чипгат'гмх полей.

Одной из первых моделей очаге землетрясения мохииической

природы считается модель упругой отдачи Рейда. Медленное накопление упругой деформации в зоне разлома, затем по достижении предел« прочности среды происходит упругая отдача.

Деформирование горной породы сопровождается обновлениемранних и образованием нов;« трещин. При этом значения ряда упругих параметров уменьшаются и происходит разупрочнение материала, выражящееся в реализации нисходящей волны диаграммы деформирования в условиях контролируемой деформации. После дости-жения пикового уровня напряжения наблвдается преимущественная ориентация дефектов с в результате частичного занятия одних и ускоренного роста других з. Происходит локализация пластической деформации (Райе Дж.Р., Гарагаш И. А..э, которая и завершает разрушение. Ультразвуковое прозвучиванме показывает сМячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. что при определенных условиях может образоваться бухты в

отношениях v /V .

р »

Отмеченные особенности разрушения материалов, обладающих естественной трещиноватостью, легли в основу модели лавинно-неустойчивого трещиннообразования (ЛНТ) с Костров Б.В., Мячкин В.И.>. В процессе нагружения среды с трещююобразными дефектами происходит увеличение их числа и размеров. На этой стадии взаимодействие трещин слабо. Во второй стадии происходит накопление трещин и их взаимодействие во всем объеме или в некоторой части критической средней плотности, наступает лавинная стадия подготовки очага. В третьей стадии наступает процесс неустойчивости, дальнейшее увеличение деформации приводит падение напряжения. Неустойчивая . деформация в силу неоднородности среда локализуется в узкую зону. В этой зоне с лавинным развитием внутренней неустойчивостью среда образуется магистральный разрыв.

Другая обобщающая модель, . предложенная в работах сШольц С.Г., НурА.э, наряду с трещиннообразованием, отводится главная роль явлению далатансии, т.е. аномальному увеличению объема трещиноватой порода при приближении к пределу прочности. Развитие теории разрушения горных пород срайс Дж.Р.) дало возможность количественного • анализа явлений в очаге. В этих работах очаг представляется К8Х зона локализации первоначально однородной деформации. Это явление реализуется при выполнении определенных критических условий, когда уравнения равновесия утрачивают эллиптичность сРайс Цж. Р.>.

..-Другой подход, рассматривает разштке очага землетрясения в зоне крупномасштабной неоднородности кзхшшческих свойств, связанных с геолото - тектоническими особенностями коры. Очаг моделируется локальным включением, разрушение которого связано с неустойчивостью процесса деформирования, с учетом влияния окружающей ерю да, наступащей в запредельной стадии на падающей вотви диаграммы деформирования.

Реализация приведенных пике моделей связана с внутренней неустойчивостью материала. Для устойчивого материаларабота, совершаемая приращениями напряжения на приращениях деформации в процессе нягружения, должна быть положитедьноЗ. Следствием нарушения этого закона является появление полос сдвига , например как это показано в работе сРевуяанко А.©., Стажевскай O.E., Шемякин К.И.> для слнбосцементированного песка.Полосы сдвига обычны для горних пород, дли которых характер л дилатансиоя-!шй эффект и внутренне» трение. Внутреннее трэшзэ проявляется при относительном перемещение частац иатериала ила берзгон трещин.

Еще одной причиной неустойчивого деформирования является -разупрочнение материала, связанного с накоплением трвщиноватостм пород, в результате которой жесткость материала уменьшается и на диаграмме нагружвния щюисходат перэход на падающую ветвь. -

В случае наличия включения-в среде й при нагрукзкии вклкг'овкя проявляется ниспадающая ветвь приводит к случаи неустойчивости, названной "убегающей" с Райе Дзс.Р.}.

Ряд теоретических работ посвящен вопросам кол'.теоствдштого анализа смещений земной поверхности при деформация корн, подставленной в надо полупространства от слоистой среди в зоно готового разлома, для оценки величина деформация с цель») количественного определения предвестников землетрясенийi

Мшннические «дали очаговой области • развиваются та фоке мнея'ообразннх силовых факторов, действующих ¡га зекную кору и » Земля в цело«.

Сейсмичность земной коры является следствиям слоеного процессе перераспределения иапряшнко - дефоргкроногшного состояния з объемах коры.

Напряженное. состояние коры формируется иод действием внешних факторов. Одним кз таких факторов качнется гюряваомэрноегь скорости вращения Земля вокруг собс?вонной оси сПориЯскяй H.ït., Шлькйор П.5 яа счот дэйстшч проливши сил. В

работах сКурскеев А.К.> оцениваются вклады космических факторов в изменение напряженного состояния литосферы и ее сейсмичности.

Как уже отмечалось, очаги сильных землетрясений приурочены к неодаородаостям земной коры, создающих высокий уровень напряжений в некотором объеме по отношению к окружавшей среде. Такими неоднородаостями могут быть разломы, плотностные границы в коре, рельефные особенности и т.д.. Задачам количественного анализа распределения напряжений в земной коре посвящены работы сМолоденский С.М., Трубицын А.П., Теркот Д.Л., Глазиев В.Н., Маслов Л.А.), в которых рассматриваются влияние на напряженно-деформированное состояние коры под действием полного рельефа, неровностями шютностных границ, влиянием неодаородностей коры под действием полного рельефа на приливные волны, могущих сработать как спусковой механизм для готовящегося землетрясения. Ризниченко D.В.рассмотрены процессы сейсмического течения земной коры, то есть деформация корн происходит за счет разрыва в очвгах. Автора (Никитин Л.В., Шга С.Л. )определили тектонические деформации и напряжения в сейсмоактивных областях по закомерностям распределения трещин.

Распределение энергонасыщенных блоков земной коры с учетом рэзломно-блокового строения для конкретного региона под действием региональных тектонических сил исследовано в работе сГарагаш Й.А.5.

Изучение сейсмичности во времени и пространстве для земного шара позволило (Губерман Ш.А.) сделать вывод о существовании тектонических вола, распространявшихся в меридиональном направлении.

Рассматривается количественная модель диффузии напряжений в литосфере сЕльзассер В.э, могущих создать дополнительный уровень напряжений для статического распределения напряжений, рассмотренных выше. Тем самым подведено теоретическое обоснование о возможности распространения тектонических волн и последовательного возбуждения сейсмичности в пространстве и времени.

Задачам диффузии напряязений и распространению изгибных вола в литосфере посвящены ряд работ (Касахара К.,' Ботт М., Николаевский В.П.,Маламуд А.С.,Рамазанов Т.К.), в которых литосфера представлена как упругая пластина, в модель астеносферы представлена вязкой жидкостью, находящейся между литосферой и жестким основанием с линейными и нелинейными реологическими

свойствам. В работе (Биргер Б.М.) астеносфера представлена как вязкоупругое полупространство. Задача решались при различии* краевых условиях.

Изучение сейсмичности зоны Гиндукуша (Маламуд A.C.) выявило особенности распределения сейсмичности по глубине, с выделением асейсмичного слоя. Измензнио глубины втого пояса во времени позволило поставить задачу о распространен™ тектонической волны по литоо[еро, обязанной механизму подвигания коры в субдукцшшую зону.

Во второй гяайе исследууугся задачи напрятенко-д^бориироеан-ного состояния земной коры я && структурных неоднородности!», С

цельи изучения вопросов, связанных с оценкой ролл измештдихся в пространстве и во времени напряжений в механизме протеканий геодинамяческих, в том числе сейсмических процессов.

Инструментальные наблэдения на поверхности Земли показали, что земная кора испытывает деформации, сопровождаются воздама-нием или опусканием отдельных участков. В движениях земаой коры в" сейоаггчэских областях мошо выделить "медленные" (вековые) составляющее, иа которые накладываются "бистротачные" движения.

Как известно, земная кора , неоднородна го своему . строению, разбита системой тектонических нарушений, в ней имеются включения с пониженными или повышенныма механическими свойствами. Наблюдается влияние рельефе земной поверхности, зоеи контакта платформенных и геосшклшалышх областей на современные деижиэмя земной кора.

Одним из путей выделения полезного сигнала из данных инструментальных иаблвдекзЖ является анализ нагфяхэнно-дэформиро-В81щого состошшя эемноЯ.. корн с .учетом фактором неоднородного строения и рельефа.

При реиегош задач о непряжяшо-дефоршфоваяном состоянии земной корн в окрестности тектонических разломов с учетом влияния естественного рельефа сталкиваются с огромными трудностями не только при ш реализации, но н при постановке.

Тектонический разлом это теологическая структура, обладавшая длиной, шириной н глубиной залохеняя в зависимости от его ранга. Причем сам разлом мозко представить как тело, [-езду сосвдтпи блоками земной кор.], с яеярхо внражэжшня границами. Иехатачоскиа свойства горных пород в розлокз наиболее раздроблены нз оси разлома. Такое моделирование разлома позволит рассматривать зэмауэ кору

как неоднородные тела с "отклонением жесткости" пород в разломах. Влияние рельефных особенностей земной поверхности даже в геосинклинальных областях также можно представить как "отклонения" от однородной поверхности, подбирая соответствующим образом масштабы изменений.

Выведены основные уравнения теории упругости для изотропного неоднородного полупространства с возмущенной границей.

Полупространство находится под действием сжимающих усилий Р и Q вдоль осей Х%,Хг. Ось ОХ, направлена в "дубь полупространства, моделирующего напряженно-деформированное состояние земной коры в зоне разломов и рельефных особенностей.

Ддя простоты анализа вывода уравнений рассмотриваются в рамках плоской деформации, тек как система разломов и горных цепей имеют один п{>е обладающий размер.

Чтобы смоделировать затухающий с глубиной тектонический разлом в земной коре, предположено, что среда занимает полупространство ха^ 0 и неоднородна по своим упругим свойствам в направлений осей 0Х4 и ОХ,. Модуль сдвига среда представлен в виде

г где *<1 -малый параметр; Cfcgcx, ,хв)<1 -функция неоднородности.

Свободная граница полупространства изменяется по закону

х4= CZ>

где «« I- -малый пара.чэтр.

Используя метод возмущенна и компоненты тензора деформаций и напряжений представлены в виде (Гузь А.Н., Немиш D.H., Ломакин

в.А.)

к ш о m« о

во 0& -

' ' ^ ' тт • W» k ' « к» Я» ..

» > /.J-I.3 С4.

Граничные условия имеют вид . '

, nt =0 При X,=efCXtD, С5>

Используя основные соотношения теории упругости, а также »вдаваясь Функцией ь однородности среды вида

^ ЬСкх /г.\ дСх , х 3 =___а__(_Ь)

5! 2 '

Скх -<-ЬЭ "х 1 1

описываются раздробленную зону разлома, а также формой границ полупространства (земной поверхности) в виде

гсх э_--Ё!— (7)

• , г г ' 4 '

Ь +х

1

подучены решения дня компонентов тензора напряжений я деформаций.

Исследовано изменение порамэтроз наирягенного состояния з зоне разлома. Показано, чтч вариации интенсивности касатель:-!!« напряжения на оси разлома ум&ньквэтся с увеличением глубизн и асимптотически приближаются к постоянной величало. С увегачешгзм параметра, характеризующего скорость затухания неоднородности, с глубиной, ийтенсивиость напряжений у поверхности аемпой корн увеличивается, а с увеличением глубины затухав? пропорционально скорости затухания неоднородности. Причем зона разлома оказывается несколько разгруженной по отаоЕвшш к окружающей среде, что является следствием -действующего, к&сатзльного надряг?-шш в зоне разлома.

Еличние рельефа зонной поверхности на распределение напряаениЗ распространяемся на глубину, нэ провосходящпо ширину поднятия.

Рассмотрена осеснммнтр:1чнзя деформация земной корн, описываемой упрух'им изотропным весомым полупространством з зоне локальной неоднородности. Функция модуля упругости описывает осесичетричнуэ ослаблеияуг» зону. Натекеявность нзшшашй на оси раздробленной зоны, им"»? максимум, а с 'уьслачевжи глубины монотонно возрастает. Отсюда кож) заключить, что влияние неоднородности материала на интенсивность няпркжнвгй заметно до глубину, равной примерно половине радиуса неодаородаосгл. Отмэтим, что величина интенсивности папря-токия прямо цроцор.'уюипльна ряд!?усу Н&ОДНОрОДНОСТК, ТО вСТЬ С уколячезсом РЗДЯУС8 растет н абсолугноо онач&нкэ глубины пзчвнэгия и-дансизноста пьпрягашй за с°е? пзкушгля иохашческих свойств срода'. "со г юзе? явиться одяня из факторов а глубин заложения очагсв зомяотрясонга.

Креп* того, кот локальной кеодаородгсости в сс-со'.:ой сродо оказиве-етол несколько догруз по ог.'кеешэт к округ-андей ср&де.

К птоз "О з-чдзче пргишгст вздача о 4Сододотрачз::>$ де.^рг.'аиизвсюдаородиотч} прострязст&в с фшэдргпосясз Ефпботаой.

При списании додлоквж дгжонЕй кобходзмо учесть вяскостшо с-гч'Лства яегаой нс£м. При учоге вяскостя материал слоистой ерудн

за счет тектонических сил испытывает медленное течение.

Земная кора неоднородна по своим механическим свойствам как по глубине, так и по простиранию. Горизонтальные неоднородности могут существенным образом повлиять не наблвдаемые движения зешой поверхности, так и на критические скорости основного течения.

В работе рассматривается осесимметричное медленное вязкопластическое течение неоднородного полупространства под воздействием горизонтальных сжимающих тектонических сил.

Расчеты показали, что скорость вертикального перемещения земной поверхности прямо пропорциональна скорости основного течения и радиусу зоны неоднородности и сЗратно пропорциональна параметру «1, который меняется в пределах 0,5<<1<1. Отметим, что в чисто пластической среде скорость вертикального перемещения в 2 раза больше, чем в вязкой среде.

КЗ анализа решения задачи выявлено, что раздробленная зоне несколько разгружена по отношению к окружающей среде. Вариация интенсивности напряжений с глубиной увеличивается, достигая некоторого максимума, зависящего от параметра скорости основного течения, а затем стремится к постоянной величине.

С увеличением скорости основного течения раздробленная зоне оказывается более разгруженной, чем при меньших скоростях. Это объясняется тем, что среда становится более жесткой при уменьшении скорости основного течения.

Судя по экспериментальным данным, в земной коре преобладают разломы,. субвертякального и наклонного * заложения'' Дифференцированные движения блоков или геоблоков вдоль них сопровождаются формированием очаговых зон землетрясений. Возникает вопрос: каким образом распределяются избыточные напряжения в таких разломах(

Рассмотрена задача деформации земной коры в зоне наклонного разлома в постановке предыдущих задач функция неоднородности принята в виде

Ь*1Ь*-Сх -кх 35 «Сх -кх 5 » -!-*--С{$>

1 * гм.*^ , .1,1

(6 -кх ) )

«X

Этому выражению соответствуют механические свойства земной коры, максимально ослабленной на оси разлома х( = кх^. Причем модуль сдвига при удаленна от оси разлома быстро возрастает, так ЧТО V а. при |х1 -I <ж |>2ь .

- к -

Анализ решения напряжзнно-деформированного состояшш з зоне наклонного разлома показывает, что если очаговые области приурочены к зонам максимальных догрузок, то они могут носить характер взбросового типа на глубинах порядка 3-10 полуширины разлома со стороны лежачего блока при углах наклона оса разлома *>< 60°, а при рй 60° механизмы очагов могут быть сбросового типа и располагаются со стороны висячего блока на поверхности или у поверхности полупространства.

Решена задача вязкопластического течения земной коры в зоне наклонного разлома, заданной в виде (8). Вцделено наличие зон, где скорости =0, т.о. за атими линиями могут бить зоны с жесткими

ядрами, т.е. условие т^ можя? на выполнятся. Этим самым

можно оценить область влияния разлома на нивелирные данные, ос-ли можно оценить ширяцу разлома и его пространственную ориентацию по глубине. Могут существовать ситуации, в которых определяющую роль играет местная неоднородность, вызывающая концентрацию деформации вблизи нее и инициирующая зароадение зоны локализации, которая впоследствии создает вблизи себя концентрацию деформация и теким образом, происходит разрушение земной корн при значениях деформации. далеких от тех, которые соответствуют локализации. По-видимому, все-та!си локализация в неоднородной среде играет решащув роль в установлении ■ пределов достижимой степени деформация перед разрукеккем земной коры. Поэтому представляет большой интерес рассмотреть упругопластическую деформацию пространства с включением аномальной трощиноватосга.

Воспользуемся опредоляющилог соотноиенияш деформационной теории (Ильотин Л.А.)

з ° -э &

<7 . эе..6. .*■ ^ ~• с . сЭ"»

Ч в С кк Ч 3 с 11 и и

Анализ решения задачи цокязшзае?, что иатенсивноо накопление напряжения в окруаащей. относительно включения среде происходят вдоль оси ориентированной нод углом примерно 43". Аномальность такого проявления тем интенсивнее, чем ваге уровень поврезденяости при основной состоянии. При это:-.« процесс накопления трещи в соседних к донной оси областях станоьктся более хесткоЗ. Для отоЯ га ориентации оси максимальной повреадешоста врнуречена область мякскмэлыгоЯ локглкоацш интенсивности деформация а резкого увеличения объема при 4>в=0,38.

При меньших уровнях новрезденыости в основном состоянии картина менее выражена.

Причем в соседних с осью максимальной повреаденностью интенсивность деформации уменьшается и даже уменьшает деформацию основного состояния, что связано с закрытием начальных трещин и уменьшением жесткости С&рогов будущей магтстральной трещины. Такая же картина наблюдается и с изменением объема.

Такая взаимосвязь локализации деформации, накопления повреаденности и измененная объема количественно описывает модель лавинного накопления трещин в очаге будущего землетрясения.

Одним из факторов, вызывающих локализацию или отклонение напряженного состояния е земной коре от литостатического (геоста-тическогоэ, может быть неоднородное распределение веса горного рельефа на земную кору.

Анализ сейсмического режима Средней Азии и Казахстана показал, что в областях с контрастным рельефом основная массе очагов землетрясений концентрирована на интервале глубин 5-20 км, где возможны процессы хрупкого разрушения горных пород в условиях геостатаческого давления и температуры. Создана математическая модель напряженно-деформированного состояния земной коры под действием скомпенсированного веса горного рельефа. Земная кора моделируется упругим изотропным полупространством, на поверхности которой приложены силы, пропорциональные весу рельефа. Для этого предварительно проведена определенная работа по обработке топографической основы.

Вес рельефа представляется как распределенная поверхностная нагрузка. Для вичесления этой нагрузки подбирался масштаб топоос-новн. Учитывал метод реаоняя задачи и разрешащую способность карт за основу была принята топооснова масштабе 1:500000. Топооснова была разбита па отдельные ячейки размером 2,5 * 2,5. Определялась средняя Еысота местности hcpc* . jэ над уровнем моря в пределах ячейки. Тем салим рельоф выбранной территории представлялся как система разновисотннх призм. Была создана база данных превшаеная высот в каждой ячейке над уровнем моря для территории Казахстана.

Вертикальная нагрузка в каздой ячейке подсчитывалась по формуле:

Р3с, li5 =pqHcpCi(jiSocH . с io>

гдр f^-осрвдненная плотность горных пород в pe ¡tone; ¡ , j -номера

ячеек,

Н .. = ь - К. , с ЦЗ

превышения высот ячеек относительно скомпенсированного рельефа НС1 Скомпенсированным рельефом был принят рельеф с линейными размерами не менее 100км, тем самым рельеф всей территории осреднялся рамкой с размером 21x25 ячеек, где определялась средняя высота рамки НС1 5.Площадь основания зосн=аь, где ».ь-линейные размеры сторон основания призмы. " Направление вектора силы Разависит от знака Кср(Ч 13 и приложен в геометрическом центре ячейки.

Таким образом, распределение напряжений и деформации в земной коре исследуемого региона под действием нескомпенсироваяного веса рельефа можно свести к известной задаче теории упругости о напряженно-деформированном состоянии упругого полупространства схв>0> под действием распределенных поверхностных вертикальных нагрузок.

В основу по лож но решение задачи о сосредоточенной вертикальной скле, приложенной к поверхности полупространства.

Для заданной территория подсчитьпзались интенсивность касателышх напрягай т, угол вида напрятанного состояния р п другие параметры.

Представляет интерес рассмотреть распределение напряжений под действием геодинамических и приливных сил, т.о. изменяющихся во времени сил, на земную кору с учетом неоднородности рельеф.

Действующие циклические приливные силы, в частности, могу? привести к усталостной потерн прочности в местах аномального уров-ня напряжений, вызванных этими силами но рельефных неоднороднос-тях. Действия же тангенциальных геодинамических сил, обладающих стабильной ориентацией, могут вызвать неоднородное распределение напряжений в земной коре от особенностей рельефа. Обе эти задачи можно объединить. Из анализа механизмов очагов землетрясений и амплитуд приливных деформаций по двум ортогональным направлениям: субширотного и субкори-

дионзльного, территории Тянь-Шаньского сейсмогена показано, что главные оси напряжений имеют субширотное направление, а амплитуда приливных .деформаций субмеридаонального направления приблизительно в 2 раза превышает деформации субширотного направления. Из этого следует, что земная кора Тянь-Шаня

подвержена сжатию в субмеридиональном направлении. Это позволяет рассмотреть задачу распределения напряжений в упругой изотропной коре Тянь-Шаня, моделируемой упругим полупространством, с малыми отклонениями неоднородной границей под действием сжимающих горизонтальных усилий. Задача сведена к известной задаче Черрутти.

Рассмотрено также совместное влияние веса рельефа и приливообразующях сил на напряженно-деформированное состояние земной коры с учетом линейности постановки задач.

В третьей главе исследована динамическая устойчивость Земли, вращающейся вокруг своей неподвижной полярной оси -

Коровые землетрясения, происходят не фоне медленных тектонических движений, вызывающих в свою очередь складкообразование в слоистой литосфере. Процесс складкообразования можно рассматривать в несколько стадий. Начальная стадия, то есть зарождение складки в земной коре, можно рассматривать как потерю устойчивости формы равновесия слоистой толщи под действием тектонических сил и сил гравитации. Именно процесс потери устойчивости формы равновесия моют быть одним из "спусковых" механизмов сильного землетрясения.

С точки зрения неустойчивости форма равновесия при изменения угловой скорости вращения Земли в атой главе исследуется с ней связь механики сейсмических процессов.

Проведен качественный анализ сейсмичности территории с координатами 36оСШ-50°СШ и 63°ВД-85°ВД в сравнении с графиком изменения угловой скорости вращения Земли за последние 150-200 лет (Парижской H.H.) и каталога землетрясений.

Изменение скорости вращения Земли на рубеже 1870г. в сторону увеличения и затем ого замедления до минимума на рубеже 1900г. посягало одной та причин высокой сейсмической активности рогшна Тянь-Шаня , где за период с 1870 по 19Пгг црокзоык наиболее сильные землетрясения на этой территории с K2I6. Графит« количества сильнейших землетрясений с К>14 со скользящим окном б 20 лет, с шагом 10 лет с 1870г. по настоящее ври мя для исследуемой территории построен из обида представлений пери ода группирования сильных землетрясений. Показано, что в период 1880г. по 1920г. имеются два относительных максимума количества землетрясений. К атому же периоду относятся три катастрофических землетрясений с Kais.

В пораод с 1870 по ЙСЮгт скорость вращения Зешш вокруг своей оси замедлялась на 0,007 сек, а до 1870г. она возрасла

на 0,003 сек.

Для реологических моделей Земли (Магницкий В.А., Надан А.) время релаксации для принятых моделей составляет т-10"с., то есть от 10 до 15 лет. Если следовать этой модели, то можно предположить, что резкое увеличение скорости вращения Земли на рубеже 1870 по 1880гг могло сказаться причиной сильнейших коровых землетрясений сВерненское, Кемино-Чуйскоо, Чиликскоеэ, а дальнейшее увеличение скорости со сменой знака скорости в сторону замедления на рубеже 1890 по 1910гг, следствием которой могло оказаться сильнейшее Кебинское с19Пг.э землетрясение. С 1930 по 1960ГГ наблюдаются* небольшие флуктуации скорости вращения и соответственно на фоне относительно высокой сейсмичности не происходили землетрясения, сравнимые по анергии с предыдущими. С 1960г. по настоящее время наблюдается увеличение угловой скорости с переходом к замедлению на рубеже 1975г. и соответствующим уменьшением количества сильных землетрясений... В 1990г. произошли несколько сильнейших землетрясений: Зайсанскоо, Байсорунское с К>15-16 со временем запаздывания порядка 15 лет.

Из проведенного анализа некоторой взаимосвязи сейсмичности и вариации скорости вращения Земли была поставлена и решена задача о устойчивости формы равновесия упругого изотропного сферического вращающегося тела. Получены решения деформации гравитирулцего сферического тела в форме Лурье А.И. для основного состояния.

Выведен ы ур а внения движения динамической устойчивости упругого шара (Земля) с радиусом и постоянной плотностью его материала ро вращающегося вокруг своей неподвижной полярной оси с угловой скоростью

Определены критические значения угловой скорости вращения. Если выполняется условие самосопряженности, а оно в нвшем случае выполняется, т.к. нагружение консервативно, то для определения границы облвсти устойчивости приняты некоторые упрощения. В этом случае из статической задачи при использовании динамического метода получаем статическую задачу с применением метода Эйлера.

Анализ результатов показывает, что потеря устойчивости сплошного упругого шара возможна при угловых скоростях, превышающих, примерно, в 7 раз современную угловую скорость ш-7,292 10"* рад/с. Такая величина скорости объясняется, во-первых, большим значением заданного модуля сдвига Земли. Некоторую аналогию можно отметить в задачах потери устойчивости

- ZI -

упругого полупространства, где получены значения критических сжимающих усилий близких к значениям модуля сдвига и вебладается поверхностная неустойчивость. Значения критических усилий уменьшаются на несколько порядков при рассмотрении сложных сред и проявлением доминантной волны.

В данной постановке необходимо учесть слоистость Земли, его разломно-блоковое строение литосферы.

Можно по аналогии с задачей о потере устойчивости упругого полупространства, когда критическое усилие близко по величине к модулю сдвига, уменьшить принятую жесткость среды и соответствовать величинам порядка 0,03-063 10'1 Па приповерхностных слоях Земли. В среднем можно принять н=0,3 10*°По с учетом разломно-блоквого строения коры. В этом случае t>kf козэт бить в пределах 5 10"'-7 10"® рад/с.

В четвертой главе проведан анализ механики сейсмических процессор к очаговых зонах и сн;«?нка сейсмической опасности .

В предыдущих главах решены теоретические вопроси, связанные с разработкой механико-математических моделей надряжешо-деформиро-ванаого состояния земной коры и очаговых зон землетрясений. На основе о тих исследований швее обсуждается и решается такие проблемы, как взаимосвязь между механическими и сейсмическими процессами в эомноа порв к в очаговых зонах землетрясений и оценка сейсмической опасности земной кора на территории Тянь-Шаньского сеЛсмогена.

Особенностью в распределен®! с глубиной очаговых зон землетрясений на территория Тянь-Шаня является их сосредоточенность на глубинах от 5 до 20-25 кн. Для исследования взаимосвязи мевду прос^пзнс-твэыным распределением очаговых зон к параметров цапря-кршюго состояния проведены расчеты по профилям, пересекещш осшшшв сейсмогонннэ зоны с от 40<>30'С1П до 45°30'СШ по долготам с 75"БД до 78"30' БД через ЗОо.

Гйоч-эты пэказзлл, что изменение интенсивности касательных кзлрягвглтй г с глубиной, расчигашш но лрофшшм вкрест простирания основных структурах элеьэнтов региона, имеют вполне определенную заьокоморность распределения т, угла вида напряге шю-го состояния 1» а глубанл, гдз достигается макевмэлыше значения т. Профиль но 77 кзрвялану пересекает зоны, где произошли сильнэйяда землетрясчшгя скебашскоз (I9II) с К=17,8 л Вернопокое (188?) с К=1в,4.>. Китая часть профиля с 41° по 42° СШ наиболее контрастен по иаиэшипш нараьйтрз где ебширкыэ участки гон сдвига цур-.'ко-шжоя вошли сжатия. Прячем почти отсутссуюг гот растяжогаы.

Мощность горизонтов, где значения т достигают максимума, не более 5-10 км. Семи же значения т изменяются в пределах 50 - 60 кг/см1, лишь на небольшом участке (41°СШ) достигает 120 кг/см1. В пределах этого участка произошло землетрясение с К=14.

В пределах акватории озера Иссык-Куль значения т^ достигают 150-170 кг/см2, а их горизонты на глубине 15 км (кривые 1,2 и подвержены растяжению. В пределах хребтов Терскей Алатау (42°СШ) произошли два землетрясения с К=14, попадающих в зону сжатия с переходом в сдвиг с =120150 кг/см*. В пределах же акватории за время инструментальных наблюдений не отмечены землетрясения с КгТ4. ■

Наиболее интересными участками являются хребты Заюшйский и Кунгьй Алатау (в пределах 43°СШ±20|), где выделяется обширный участок земной коры, подверженный сжатию и обрамленный четко еырнженннми зонами сдвига с переходом в зоны растяжения с одной стороны акватории озера Иссык-Куль,.с другой-Зяилийским предгорным прогибом. Здесь значения тгпоА достигают 220*250 кг/см* - самые высокие для всей анализируемой территории. При этом горизонты т^ находятся в пределах 10 км. Необходимо отметить, что высокий уровень г наблюдается до глубин 45-50 км, т.е. охватывает почти всю толщу земной коры. Здесь, как отмечалось вышо, произошли два катастрофических землетрясения с К-17,8 и К-16,4 и два землетрясения с K-I4. Эти землетрясения попадают в зоны сжатия близких к зонам сдвига. Севернее Кунгей-Заилийской зоны имеются участки с контрастным изменением угла вида напряженного состояния с. малым уровнем т, изменяющего в пределах 15+20. кг/см1.

В целом из расчетов следует вывод о том, что аномальным по уровню т^ является горизонт на глубине порядка 10км. В соответствии с этим были проведены площадные расчеты параметров напряженного состояния г и <р для выявленного горизонта.

Полученные результата позволяют сделать вывод о том, что эпицентры сильных землетрясений расположены в зонах сжатия о высоким уровнем т>150 кг/см* со стороны сдвига.

Акватория оз.Иссык-Куль испытывает состояние близкое к одноосному растяжению при достаточно высоких напряжениях CI50-I70 кт/см'э и отличвется довольно низкой сейсмичностью и отсутствием в акватории очагов сильных землетрясений с K£l2.

Это можно .объяснить тем, что в пределах глубин 5-25 км в земной коре Иссык-Кульской впадшш породы находятся в хрупком, трещиноватом состояния и на этих глубинах структурные

неоднородности характеризуются возможностью прерывистого скольжения. Давления на этих глубинах близки по своим значениям к пределу прочности пород на скалывание £ 200-700 кг/см1з.

Интенсивность сдвиговых напряжений от сил веса нескомпенсированного рельефа достигает величин 150-230 кг/см на глубине порядка 10-15 км, полученных при расчетах распределения напряжений для территории Тянь-Шаня. Такие величины сдвиговых напряжений в сочетании с литостатическим давлением на этих глубинах могут превысить предел прочности горных пород. Тем самым по достижении предела прочности породы на этих глубинах накопление более высокого уровня напряжений невозможен, а породы переходят в разрушенное состояние и неспособны накопить упругую энергию деформаций. Возможно этим и объясняется отсутствие в акватории оз. Иссык-Куль очагов сильных землетрясений.

Проведены площадные расчеты для заданной территории параметра

т = т + скг.

"Р

где т-интенсивность касательных напряжений; »-среднее давление; «-параметр внутреннего трения, изменяющийся для горных юрод в пределах 0,4-0,9. Параметр тпр характеризует близость напряженного состояния к пределу прочности.

Выделены участки возможного накопления упругой энергии деформации и участки, где напряженное состояние от нескомпенсированного веса рельефе близко или превысило предел прочности, то есть асейсмические участки.

Яз сопоставления результатов и распределения <гпр можно

отметить, что вздэленные сейсмоопасные области по распределению

' значений интенсивности сдвиговых напряжений т и угла вида

напрятанного состояния находятся в хорошем согласии с

подобными зонами по значениям г .

"р

Таким образом, выделенные по нескольким параметрам объемного распределения напряженного состояния земной коры участки на рассматриваегдай территории могут с достаточной достоверностью оконтуривать области возмогших очагов сильных землетрясений.

Циклические пршшвообразувдне силы шгут вызвать усталостное разрушение в участках земной кора с аномальными значениями т и т. Кроме того, не земную • кору данного региона действует длительны» тангенциальные, сжимаздие сала под действием > ДВЕЯ0НШ1 Индийской плиты на Казахстанскую платформу, могущих таю» привести к замедленному разрушению.

Приведены карта т и территорзи Заилийский, Кунгей и Терскей Алатау. В пределах хребтов ЗашмЯский и Кунгей Алатау выделяется обширная аномальная область с повышенными значениями т. На северном и южном побережьях Иссык-Куля выделяются вытянутые аномальные зоны т , одно из которых совпадает с Каджисайской сейсмоактивной зоной.

Очаги землетрясений с №=14 в основном распологаются вдоль вытянутой аномальной зоны и попадают в сами эти зоны или близко к ним.

На основе выполненных разработок проведено сейсмическое районирование рассмотренных территорий по распределению параметров т, р, . При этом на них выделяются несколько аномальных зон с опасным уровнем напряжений.

Среди них наиболее опасной является Кунгей-Заяшйская зона, где установлен высокий уровень максимальных касательных напряжений, сжатия с переходом в зону сдвига, высокий допредельный уровень параметра т^ , аномальные зоны т" и от приливообразуидих сил и совместного действия веса рельефа и приливов или геодинамических сил.

Как и в других сейсмопоясах Земли, во временном протекании сейсмичность регионов Тянь-Шаньского сейсмогена характеризуется периодичностью с квазипериодичностьк». Землетрясения с анергией Кг 12 'группируются, чередуясь между грушами периодами покоя. Длительность возникновения группы сильных толчков года,

интервалы между группами 16^3 года, а продолжительность полного цикла 23^5 года. Кроме того, имеется периодичность в смене типов механизмов очагов. Устанавливается цикл увеличения количества землетрясений с механизмами взбросовоготипа продолжительностью 9-10 лет, совпадающий по длительности со временем группирования сильных землетрясений. Полный период при визуальной экстраполяции графика равен, примерно, 16-20 годам, т.е. можно предположить некоторое соответствие полной продолжительности цикла группирования.

Увеличение количества очагов с механизмами взбросового типа свидетельствует, что регион в настоящее время претерпевает состояние относительного сжатия. Именно к этому периоду относятся наиболее сильные землетрясения Яаланаш-Тшское ( 1978 г. ) с K-I5, Новогоднее ( 1982 г.) с К-13,7, Байсорунское CI990 г.) с К = 15. Если рассматривать пространственно-временную зависимость сейсмичности региона от напряженного состояния земной коры, то можно

предположить, что происходит возмущение естественного напряженного состояния земной кора региона поступающим из соседних участков волн напряжений и деформаций.

Для математического описания этого процессе рассмотрена модель распространения изгибной волны, обусловленной взаимодействием упругой полубесконечной пластины, моделирующей литосферу с подстилающей астеносферой, которая при длительном воздействии напряаэдай ведет себя подобно вязкой жидкости. При етом на краю пластины действует циклический изгибающий момент. Такое воздействие на пластину моделирует периодическую сейсмичность Кокзеалыжой зоны, которое передается в соседний блок за иной коры в виде момента. Показано, что для принятых геометрических и жесткостных свойств земной коры и астеносферы периода сжатия и растяжения участков плиты, также скорость распространения изгибкой волны достаточно хороао совпадает с периодами сейсмзческой активизации исследуемого региона.

гл<*Рй посваарэна иеханике сейсмических процессов в очаговых зона;; «етрясений и их предвестников. Формирование ГбОфИ-

знческЕк, гадрогсюхкмическкх. гйдрогеодиавмических и других предвестников за?,а;&тряс0ний связаны с современнными геодшамическими процессами в их очаговых зонах сем. гл.II. Б предыдущих разделах обращалось зазяое внимание разработке механико-мзтзматических моделей сааряаюаного Е..дефоршфованшлр состояния земной кори и, как результат такого состояния, моделям формирвадия в очаговых зонах кэханкческшс предвэстников.

Шлобой ошт показывает, что пра прогнозе землетрясений, в особенности при краткосрочном прогнозе, широко используется вно-■ мальшэ эффекта физического и химического происхождения. Ниже на приагэре геомагнитного поля показаны условия формирования электромагнитных аномалий в функциях от квхьнжи сейсмических процессов в очаговых зоаах.

Бвевждейстекэ деформируемого твердого тела с магнитными поляг,и научалось в геофизике в связи с распространением соасхгтсокис волн. При этом иссл&дователзй интересовало как сказутся кагшшшв аффекта на скоростях сейсмических волн и их оатухкш. Иссдздовалксь совнвстноо рэшенка уравнений движения мбг.еггаого тела с Новицкий В.?:

с12э

в соотношений

ЭН , 9и 9и

-ffM-j^T- «^IH.-TT1- -Н -rr1- 1 . . н . »0, CI35

ÍH -rr-i- -H -rJL 1 , H »0,

l J Ot 4 Ot J ,) ' 1,1 '

связывающих между собой пространственные и временные изменения компонент вектора напряженности магнитного шля н% и вектора перемещения .

Здесь <г% > -компоненты тензора напряжений; ¿»-магнитная проницаемость; »-проводимость среды.

В отличие от' обычных "уравнений движения с 125 содержат магнитный тензор Максвелла

т" «м<Н н —Í- о ИИ) , С14>

который и обеспечивает влияние' магнитного поля на деформация. При поиске предвестников землетрясений речь идет об обратной задаче, когда ищутся весьма малые аномальные изменения магнитного поля, вызываемые механическими движениями среды. То есть, можно отбросить слагаемое с 145 и решить обычную несвязанную задачу о деформациях среды. После чего, подставляя найденные выражения для перемещений в правую часть уравнений с 135, мо&яо найти изменения напряженности магнитного поля н^ ,

Реализован изложенный подход для условий локализации де«1ормации в дислокационных зонах. Согласно выражению с 135 изменение поля деформации на малую величину uv должно привести к возмущению магнитного поля на величину . Поэтому представки величины н^ и в виде суш

Н =H°+h , и иЦ° -fu <155

1 v t v ^ \ i

основного к', и° и возмущенного состояний.

Аналогичным образом разделяются и напряжения

а ау" + т <16>

ч Ч ч

Подставляя С155 и с1б5 в уравнения с 125 и <135 и собирая величины одного порядка малости, получим

г • =0, с 175 .

4(1

аь . аи аи. ..

+ «"Ктг " нГ-аТ^ ) „

Компоненты напряжений связаны с деформациями с 23,661

с =-Х- Си ,-Нд, > сш>

соотношениями сГарагаш Й.А.э

2е

где во- модуль сдвига ненарушенного материала; т=хоД>о; ^-коэффициент Пуассона: э=э(ха лг .хв)функция неоднородности среды, зависящая от концентрации трещин или разломов в земной коре в единице объема.

Поскольку подвижки, предшествующие основному толчку, как было показано выше, носят характер локализации деформации разрушения, исследован тектономагнитной эффект именно в связи с этим явлением.

Процесс локализации приводит к уменьшению эффективного модуля сдвига который можно представить в виде

е

где -модуль сдвига ненарушенного материала; «сх^-функция неоднородности, зависящая, как и перемещения, только от одной координаты. Функция *со характеризует развитие во времени процесса локализации.

Уравнение с13э окончательно преобразовано к виду

где

В=нв»1 п/1—— . с 233

•3е

Для решения этой задачи определялись неоднородность земной коры по ее разломно-блоковому строению, напряженное состояние по разработанной методике сГарагаш 1.А.>.

Проведенный анализ решения с22: я некоторых предпосылок, изменения напряженности магнитного поля в зоне локализации дозволил сделать вывод, что процессы локализации деформации

должны сопровождаться заметными вариациями вектора напряженности магнитно го, поля. При этом эффект существенно зависит от ориентации полосы сдвига по отношению к вектору магнитного поля Земли и по резному проявляется на резных компонентах. Эти особенности должны учитываться при размещении магнитометров в сейсмоактивных районах. Надо ставить их там,где зоны разломов ориентированы под прямым углом к вектору магнитного поля Земли.

Подученное решение может быть использовано для целей прогноза землетрясений. Действительно, тот факт, что согласно уравнению с22) вектор возмущения напряженности магнитного поля ь. лежит в плоскости локализации деформации х(0хв и совпадает с направлением максимального сдвига, позволяет интерпретировать магнитные аномалии в терминах теории подготовки землетрясения. В спокойные периоды ориентация вектора возмущения в пространстве должна меняться произвольно и соответствовать понятию "белый шум". Однако но мере локализации процесса растрескивания и формирования магистрального разрыва следует ожидать появления предпочтительных направлений сдвига и„ как следствие,, упорядочения ориентации магнитного вектора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Результаты фундаментальных исследований, выполненных по созданию теоретической основы сейсмических процессов в земной коре, позволяют прийти к следующим основным выводам: Г. Сейсмические процессы являются производными механических процессов, происходящих в очаговых зонах землетрясений.

2. В механическом аспекте "очаговые зона" - это области срывов поверхностен разделов структурных неоднородноетей. Срывы ах происходят в областях (зонах) концентрации напряжений. Размеры очаговых зон и интенсивность происходяда в них фдзкческих и механических процессов определяется размерами вовлеченных в движение структурных неоднородаостей и скоростью нх относительного перемещения.

3. Принципиально важным и ответственным за Формирование очаговнх зон в зекзой коре физическим параметром является напрязение. Оно создается не только внутрнзеынши, но и космически® источниками энергии. Из-за изменения нвпрягенного состояния в земной коре происходят дифференцированные двизення структурных неоднородаостей, формируются ноше разрывные нарушения.

обновляются старые. Именно такие механические процессы наиболее активно протекают в сейсмоопасных регионах.

4. Закономерности пространственного распределения очаговых зон в земной коре в значительной мере определяются податливостью современного тектонического строения земной коры к внешним силовым полям. Оказалось, что основными "накопителями" напряжений являются структурные элементы , размещенные между разломами (блоки, геоблоки}. Релаксация напряжений происходит на границе раздела - в зонах разрушения.

5. Разработанные механико-математические модели напряженно-деформированного состояния земной коры в целом и очаговых зон землетрясений позволяли не только раскрыть природу сейсмических процессов, но и На новой основе произвести оценку сейсмической опасности. На территории юго-восточной части Казахстана наиболее сейсмоопасными являются зоны, где величины сжимавших усилий превышают 100-150 кг/см*.

6. Установлено, что процессы деформации разрушения (процессы локализации деформации) сопровождаются изменением физических свойств пород.

Процесс локализации деформации сопровождается заметными вариациям вектора напряженности магнитного ноля. При атом эффект существенно зависит от ориентации полосы сдвига по отношению вектора к вектору магнитного поля Земли. Принципиально важно, что величину "магнитных аффектов" {геомагнитные предвестники) могут быть измерены современной аппаратурой.

В результате вшолненых исследований разработана научнвя основа сейсмических процессов.

ЛИТЕРАТУР!

Г. Гарагеш т.к., Жаятаев Ж.Ш. Количественная оценка современных дзшгэний земной коры в сейсмоактивных областях. - В сб.: Современные движения земной коры. Тезисы докладов viz Всесоюзного совещания со гзучениа современных движений земной коры. Кишинев, IS82, с.49. ■

Z. Гарагеш И. А., Евнтаэв Ж.Ш. Количественная оценка современных движений земной коры в тектонически активных районах. -В сб.: Комплексные геодааемичесннз полигоны. Ы., "Неука", 1987.

3. Гарагеш И.А,, Жаятеев Ж.Ш., Агжигнтов Б.Ч. Концентрация повреждений на локальных неоднородности! перед разрушением.

-Тезисы доклада на их Всесоюзной шкода-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Иркутск, 1968, с.94.

4. Гарагаш И.А., Яантаев Ж.Ш., Агжигитов Б.Ч., Аубакиров М.Ш. Распределение напряжений в земной коре юга и юго-востока Казахстана под тяжестью горного рельефа и связь с сейсмичностью. -Бестник АН КазССР, м , 1389.

5. Гарагаш H.A., Жантаев Ж.Ш., Агжигитов Б.Ч., Аубакиров М.Ш. Количественная оценка влияния горного рельефа на сейсмическую опасность Средней Азии. -Тезисы докладе Всесоюзной школы-семинарв и геолого-геодинамические исследования в сейсмобпасных зонах'СССР. Фрунзе, "Илим", 1989.

6. Гарагаш И.А., Жантаев Ж.Ш. Влияние горного рельефа на распределение приливных напряжений в земной коре Северного Тянь-Шаня и связь с сейсмичностью. -Доклад на международном симпозиуме "Геодезия, сейсмология и прогноз", Ереван, 1989.

7. Егоров А.К., Жантаев Ж.Ш. Устойчивость весомой слоистой среды при конечных докритических деформациях. -Известия АН КазССР, сер. физ.-мат., 1977, n5, с.25-31.

8. Егоров А.К., Жантаев Ж.Ш. Деформация поверхности земной коры как результат инверсии плотности и тангециальных тектонических движений слоистых толц. Теоретические основы исследования современных движений земной коры. -М., Сов. радио, 1980, с.78-86.

9. Егоров А.К., Жантаев Ж.Ш. К устойчивости вязкоплвстического течения весомой слоистой среды, -v Всесоюзный сгеэд по теоретической и прикладной механике. Аннотация докладов. Алма-Ата, 1981, с.145.

Ю.Егорэв А.К., Жантаев Ж.Ш. К устойчивости вязкоплвстического течения весомой слоистой среды. -Механика тектонических процессов. Алма-Ата, 1983, с.51-60.

П.Егоров А.К., Жантаев Ж.Ш. О связи критических напряжений в земле, вызванных силами инерции ее вращения, и сейсмических явлений в ней. -Известия АН КазССР, сер. физ.-мат., в печати.

12.Ержанов Ж.С., Гарагаш И.А., Жантаев Ж.Ш. Тектономагнитный аЭДект при формировании магистрального разрыва очага сильного землетрясения. -Известия HAH FK, сер.физ.-мат., 1993, мГ,с.72-76.

13.Ержвнов Ж.С., Егоров А.К., Жантаев S.S. Устойчивость вязкоплвстического течения весомой слоистой среда. -Известия АН КазССР, сер. физ.-мат., 1981, н1, с.17-23.

14.Жантаев Ж.Ш. Медленное вязкопластическое точение земной коры в зоне локальной неоднородности. Б сб.: Комплексные исследования на Алма-Атинском прогностическом полигоне. Алма-Ата, 1985.

15.Жйнтаее Ж.Ш., Агжигитов Е.Ч. Осесимметричная деформация земной коры в зоне локальной неоднородности. В сб.: Комплексные исследования на Алма-Атинском прогностическом полигоне. Алма-Ата, 1986.

16. Жантаев Й.Ш.„ Агжигитов Е.Ч. Влияние ориентации разлома на характер тектонических движений. -Тезисы доклада не Всесотаом совещании по тектонофациалькому анализу. Алма-Ата, 1988.

1?. Катясь Ж.Ш. Локализация деформации в окрестности мягкого включения в трепршоввтоЯ среде. -В печати.

18. Жаытаеы Нагфязюшю-д&формировяююе состояние зошоЯ кора о»? неоднородного рельефа и связь с сейсмичность». - В печати. .

19» Жавд'аеп И. Ш.» Дгзвдотов Е.Ч. Математическая модель тектонвчеслия ¿эдгюяий в зоне наклонного разлома. -Тезисы доклада на х* Республиканской когоЕеренции по проблемам вичиалителькой математики к авто?датизеции научных исследований. Алма-Ате, 1983.

20.1зитаов Ж.Ш. Деформация земной коры в зоне наклонного раялока В почета.

21.Жантаев &.Ш. Периодичность проявления сейсмичности региона и связь с изгибннми тектоническими волнамк.

MECHANICS OF SEISMIC PROCESSES ("The exanrple of Tien Shan selsmogene,)

Zhumabek S . Zhantayev

Mechanioal-matheroatlol models of deformation In the Eapth"s crust are developed and created with an aocount of rhoology in the zone of tectonic fracture and the futuro centre of earthguaken and their quantitative estimation Is made in the determination of anticipatlve phoomana in the observed movementss of the Earth* ssurfaco .

A desigin model is made on strict premises of mechamos of deformable media of the strained-and-deformsd state of the Earth's crust in seismoactive regions with an account of the real fraoture-and-block structure and terrain. A method is worked ouf for . collection of geologic-and-morphological, geotectonic data and special databases are created, with an accountof the set problems specificity.

The investigations of seismic danger have been carried out based on strict mathematical premisas according to the calculated field of stresses in the heterogeneous Earth's crust.

A series of maps of various parameters of the strained state of the Earth's crust are calculated and constructed wherein the zones of the dangerous level of stresses for the territory of Tien Shan are shown. A mathematical model is developed for the dynamic stability of ununlformly rotating Earth for the evaluation of the general regularity of the globe's seismlclty.

The machanfcal-and-mathematical model is developed for the deformation of heterogeneous Earth's crust end formation of local geomagnetic variation on the Earth's surface connected with the change of the strained state of the Earth's crust in the áeismotectonic process to reveal objective anticipative anomalies in the observed magnetic data.

Жантасн Жумабек Шабдснулы

Сейсмикалык. к,убылыстар механикасы (Тянь-Шань ссйсмогсны мысальшда)

Бул жу мь:ста тектоникалык, Ж)п жопе келешсктеп жер сшкшулер мацындаш рсологияпы сскс адатьш жер кабатыныц деформацнясьшыц, соидай-ак жср бетМц козгалыстарылда бакыланатын алдын ала ескерту кубьшыстарды анык.таудыц сандык, багшшуыныц мсханика-матсматикалмк нобайы жасалакш жопе жеттлщрш'ен.

Деформацияланатын орталар механикасыиыц непзг! аныктамаларынан сейсмикалы аудаидардыц х1кп-болшскт1 жоне беги к турш ескеретш жср кабатынын кера I ул 1 к-де<| юрм а ни я л ы к жагдайыныц есшгшс нобайы жасалгаи. Геологоморфологиялык,, гестектонккалык; бсрЬпмдсрд! жинау од1стемеа бслшшси жоне КойылГвН есептщ ерекнюшктерш есксретн1 арнаулы бериимдер жасалган.

Нспзг! математикалык, аныктамалардан шыгатыи б)рте1п1 см ее жер кабатшщагы керенулер ер!сш есептеу бойыиша ссйемикалык кауптылык, зсртсу жургшлген.

Тянь-Шань аймага ушш ксрнеудЫ каушггы дсцгсйл1 аудаи аныкталган жер кабагынын кернеушшк жагдайьншн ортурл! параметрлершщ карталар турлср1 жасалаган жопе есаггелшгсн. Жср шарыныц ссйсмикалык, жалпы зацдылыктарын багалау мацеатыида Сир к,алыпты айналмайтын жерд'т динамикалыц турактшыгын механнка-математикалык кубылыстар кемндеп жср кабатыныц кереиул!к жагдайыныц озгеру|'мен байланысты жер бспндс жсргШкт! геомашитпк вариацияныц пайда болуыныц жяне бфтскт! жср кабатыпьщ дсформациясыныц механико-математикалык, нобайы жасалгаи.