Напряжения, деформации и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны

Чтобы выявить основные тенденции пространственно-временных вариаций напряжений в литосфере БРЗ, использованы коэффициенты пропорциональности b_M в уравнениях корреляции логарифма сейсмического момента и энергетического класса землетрясений. Эти коэффициенты отражают распределение типов подвижек в очагах совокупности землетрясений с K_Р7 и через сейсмические моменты идентифицируют напряженное состояние всей системы сейсмогенеза. Установлено, что в конце 1970-х - начале 1980-х годов на территории БРЗ наблюдались значимые изменения сейсмических моментов, упорядоченно разнесенные в пространстве и времени. Первые изменения коэффициента b_M произошли в зоне шовной межплитной границы, отделяющей Сибирскую платформу от Саяно-Байкальской складчатой области. В связи с этим имеется предположение о влиянии этой области сочленения крупных блоков литосферы на процессы преобразования напряженного состояния среды (Ключевский, 2001; 2004; 2005; Klyuchevskii, 2004). Пространственно-временные масштабы этого явления указывают на нелинейную импульсную природу, которая может возникнуть в результате фазового перехода “жидкость - газ” в локальной области глубинного Приморского разлома. Это явление хорошо вписывается в модель развития Байкальской впадины, учитывающую эволюцию флюидного режима (Артюшков и др., 1990). Детальное исследование пространственно-временных вариаций сейсмических моментов землетрясений Байкальского региона показало, что с 1968 по 1994 годы в регионе произошли три значительных эпизода изменения напряженного состояния литосферы Байкальского рифта: в конце 1960-х, конце 1970-х - начале 1980-х годов и конце 1980-х - начале 1990-х годов. Установлено, что наблюдаемые эффекты связаны с перераспределением типов подвижек в очагах и упорядоченными вариациями сейсмических моментов землетрясений, которые обусловлены инверсией осей максимального и промежуточного главных напряжений, возникающей в локальных областях устойчивого доминирования рифтогенеза. Использование различных подходов и методов позволило установить координаты трех областей. В рамках теории диссипативных систем эти области классифицируются как структуры-аттракторы рифтогенеза (Ключевский, 2007). Полученные результаты дают возможность объяснения основных наблюдаемых вариаций напряженного состояния литосферы БРЗ пространственно-временными изменениями вертикальной компоненты поля напряжений . Эти процессы происходят на всей территории БРЗ, но различаются по интенсивности проявления. Наиболее сильно они проявляются в рифтовых впадинах и в областях доминирования рифтогенеза (Ключевский, 2002; 2003; 2005). Эти области расположены вблизи границ областей напряжений глобального, регионального и суперпозиционного типов, установленных в (Solonenko et al., 1997) по данным о механизмах очагов землетрясений. Особенностью наблюдаемых изменений является постепенное увеличение и резкое, почти импульсное, уменьшение , детерминирующее инверсию осей напряжений и перестройку НДС литосферы. Постепенные процессы могут быть связаны с термической нестабильностью и гравитационной неустойчивостью литосферы и аномальной мантии, определенной в Байкальском регионе по сейсмическим данным (Недра.., 1981; Gao et al., 1994; 2003) и численным моделированием (Гольдин и др., 2006). Быстрые процессы могут происходить в результате фазовых переходов при термодинамической неустойчивости локальных объемов земной коры (Современная динамика…, 1989; Летников, 1992).

Наблюдаемые перестройки напряжений в литосфере БРЗ согласуются с поведением сложных самоорганизующихся неустойчивых термодинамических систем (Николис, Пригожин, 2003), что предполагает возможность применения методов системного анализа с целью поиска моделей, уравнений, параметров и характеристик, описывающих современные тектонофизические процессы в литосфере БРЗ. Для исследования структуры и динамики напряжений в литосфере БРЗ используются фазовые пространства, в которых в качестве координат состояния служат параметры и , где индекс j идентифицируется как год и пробегает от 1968 до 1994 г. (Ключевский, 2007). Параметр является коэффициентом в уравнении корреляции логарифма сейсмического момента и энергетического класса K_Р всех зарегистрированных в течение j-го года землетрясений и через сейсмические моменты толчков разных K_Р характеризует напряженное состояние всей системы сейсмогенеза. Параметр - среднегодовой сейсмический момент землетрясений с энергетическим классом K_Р=7, характеризующий через сейсмические моменты толчков с K_Р=7 напряженное состояние среды на минимальном изучаемом энергетическом уровне системы сейсмогенеза. Величины и являются однозначными функциями времени, а изображающая точка движется по некоторой ломаной линии в фазовом пространстве - фазовой траектории и соответствующая фазовая скорость V_f будет равна длине траектории, пройденной за год. Известно (Zoback, 1992), что в зависимости от соотношения величин главных напряжений могут быть сформированы пять типов режима напряжений, из которых три характеризуют устойчивые напряженные состояния литосферы, а два описывают систему в состояниях неустойчивости переходного типа. Эти режимы качественно согласуются и хорошо корреспондируют с наблюдаемой схемой поведения напряжений в литосфере БРЗ, с формированием трех устойчивых состояний-аттракторов и двух переходных состояний-бифуркаций. На основании этого предполагается, что динамике напряжений в литосфере БРЗ соответствует модель с бифуркацией трехкратного равновесия. Модельной системой для данной бифуркации может служить уравнение изменений напряжений S в виде

.

Анализ состояний равновесия показывает, что при >0 и любом система имеет единственное асимптотически устойчивое состояние равновесия. При <0 су-ществует область значений , где система имеет три состояния равновесия, а в фазо-параметрическом пространстве формируется структура, называемая сборкой. На основании этих соотношений можно предположить, что коэффициенты и имеют вид

, ,

где S_max - максимальная из трех компонент напряжений. Тогда при > 0 и любом система имеет единственное асимптотически устойчивое состояние равновесия, характеризующее режим тектоники литосферных плит. При <0 су-ществует область значений , в которой система может иметь три состояния равновесия, характеризующие современный режим рифтогенеза в БРЗ с неоднородным и неустойчивым распределением напряжений.

Для исследования эффектов синхронизации напряжений в литосфере БРЗ и трех районов использованы годовые ряды параметра . Чтобы оценить длительность периодов синхронизации, годовые ряды параметра разделены на выборки длиной в три года, пять и десять лет: временной сдвиг между выборками сравниваемых территорий равен нулю, шаг расчетов равен одному году. По этим реализациям вычислены коэффициенты парной корреляции для следующих сравниваемых территорий: БРЗ и трех районов; трех районов между собой. Установлено, что эпизоды высокой синхронизации напряжений в литосфере БРЗ и трех районов имеют небольшую длительность, а влияние перестройки напряжений в конце 1970-х - начале 1980-х годов доминирует над другими процессами. Синхронизация напряжений свидетельствует о дальнодействующих корреляциях, выражающихся в статистически воспроизводимых соотношениях между удаленными и пространственно разделенными (районы 1 и 3) частями системы. При совместном анализе фазовых скоростей и распределения сильных землетрясений с K_P14 установлено, что сложное поведение неравновесной среды в литосфере БРЗ ведет к бифуркациям (катастрофам) напряжений, порождающим нелинейность сейсмогенеза с генерацией сильных толчков (Ключевский, 2007).

Во второй части диссертации развиты методы и алгоритмы решения основной обратной задачи реконструкции и идентификации напряженного состояния литосферы БРЗ по данным о сейсмических моментах землетрясений. Развиваемая методология, математическое и алгоритмическое обеспечение идентификации напряженного состояния среды позволяют по натурным сейсмологическим наблюдениям обнаружить и классифицировать качественно новые, присущие широкому классу природных объектов, фундаментальные особенности строения и эволюции БРС, связанные с неоднородностью и неустойчивостью литосферных напряжений. Установленные критерии и параметры пространственно-временных вариаций напряженного состояния литосферы БРЗ характеризуют сложную структурную неоднородность и динамическую неустойчивость НДС среды и обосновывают второе защищаемое положение диссертации. В эволюции литосферы БРЗ определяющую роль играют перестройки напряженного состояния среды, формирующие нелинейность сейсмогенеза с генерацией сильных землетрясений. Эти результаты развивают феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса в БРЗ и обосновывают третье защищаемое положение диссертации. В практическом плане такая информация может быть использована для целей сейсмического районирования, решения задачи прогноза землетрясений и проблем сейсмической безопасности в Байкальском регионе.

3. Деформированное состояние литосферы Байкальской рифтовой зоны по данным о радиусах дислокаций

Знание генезиса, структуры и динамики деформированного состояния континентальной литосферы является фундаментальным в понимании строения и эволюции верхней оболочки и рельефа Земли. В настоящее время особенно быстро развиваются исследования, сочетающие выявление и воспроизведение структурообразования в тектоносфере на основе специальных полевых наблюдений с физическим и компьютерным моделированием и поиском связей с геофизическими полями. Это позволяет перейти от представлений деформирования в рамках механики сплошной среды к пониманию структурированности литосферы, сформированной под воздействием тектонофизических сил и напряжений (Гончаров и др., 2005). При описаниях процессов структурообразования одной из физико-механических характеристик является неоднородность среды, ее естественная структурированность, которая не может быть учтена в моделях сплошной среды. Структурная иерархическая неоднородность дискретной среды порождает неоднородное НДС литосферы, при котором напряжения концентрируются на границах неоднородностей разных уровней структурной организации, формируя неоднородности деформации. Полученные к настоящему времени многочисленные экспериментальные и натурные наблюдения указывают, что тектонические деформации в большинстве случаев реализуются путем разнообразных динамических перестроек исходной структуры геологической среды. Такие перестройки зависят в большей мере от концентраторов напряжений, распределение и перестройка которых в свою очередь определяются неоднородностями среды, динамикой силовых полей и свойствами вещества. В рамках таких представлений зоны доминирования рифтогенеза являются своего рода концентраторами напряжений регионального уровня, формирующими и контролирующими основные процессы сейсмотектонического деформирования в литосфере БРЗ (Ключевский, 2003; 2005; 2007).

Радиусы дислокаций использованы для реконструкции и идентификации структуры и основных тенденций динамики сейсмотектонического деформирования литосферы БРЗ, трех районов и шести участков (Ключевский, Демьянович, 2002; 2003). Проведенное пространственно-временное исследование коэффициента b_R и радиусов дислокаций указывает на неоднородность структуры и нестабильность динамики сейсмотектонического деформирования в литосфере БРЗ. Установлена повышенная неоднородность НДС в центральной части БРЗ, а сейсмотектонические деформации на флангах региона примерно сопоставимы. Процесс сейсмотектонического деформирования, наблюдаемый в литосфере БРЗ в конце 1970-х - начале 1980-х гг., в целом аналогичен механизму деформирования очаговых зон сильных землетрясений, что свидетельствует о самоподобном характере деформирования среды на разных иерархических уровнях литосферы. Установлен колебательный характер сейсмотектонических деформаций в БРЗ с периодичностью около 10 лет, быстрым падением и нарастанием уровня деформаций после перестроек НДС литосферы региона.

Идентификация сейсмотектонических деформаций литосферы в Байкальском регионе по данным о форме дислокаций основана на том, что динамические параметры очага тектонического землетрясения зависят от формы и геометрических размеров дислокации, которые, в свою очередь, связаны с НДС среды в области разрыва (Аки, Ричардс, 1983; Ризниченко, 1985). Исследование вариаций формы дислокации показало, что в деструкции литосферы БРЗ выделяется как пространственная, так и временная составляющая (Ключевский, 2005). Максимальный уровень сейсмотектонического деформирования литосферы установлен в центральной части БРЗ, а минимальный - на юго-западе региона. В исследуемый интервал времени сейсмотектоническое деформирование литосферы в Байкальском регионе имело в целом тенденцию к ослаблению. Чтобы идентифицировать пространственную структуру сейсмотектонических деформации литосферы Байкальского региона, получены карты-схемы изолиний максимальных, средних и минимальных значений коэффициента формы дислокации R₁/R₂. Зоны, в которых максимальные значения коэффициента формы дислокации превышают R₁/R₂6, выделяются на карте в виде отдельных “пятен” и расположены вдоль Байкальского рифта. Эти зоны, как правило, приурочены к рифтовым впадинам, а размеры “пятен” достаточно хорошо корреспондируют с размерами соответствующих впадин - наиболее обширные области максимально деформированной среды наблюдаются в пределах впадины озера Байкал, с последующим уменьшением размеров “пятен” к юго-западу и северо-востоку. Самая большая область вытянута вдоль Южно-Байкальской впадины в районе Селенгинской перемычки. На юго-западе зона повышенных значений R₁/R₂ совпадает с западной оконечностью Тункинской впадины. В северо-восточной части карты наблюдается последовательность “пятен” северо-восточного и восточного направления, наиболее значительное из которых расположено в районе Северомуйской впадины.

При исследовании пространственно-временных вариаций формы дислокации для совокупностей сейсмических событий определены корреляционные формулы распределения чисел землетрясений в зависимости от величины отношения радиусов, имеющие вид

Lg N= A + d R₁/R₂,

где R₁/R₂ - коэффициент формы дислокации, N - число толчков, A и d - коэффициенты. Коэффициент d характеризует соотношение чисел толчков, имеющих различные значения R₁/R₂ и в рамках теории самоподобной фрактальной среды (Садовский, 2004) характеризует неоднородность деформированного состояния среды. Чем меньше значение d, тем больше в выборке толчков, форма дислокации которых приближается к кругу, а изометрическая форма дислокации (R₁/R₂1) характерна для землетрясений, дислоцирование которых происходит в условиях квазиоднородного деформированного состояния очаговой среды (Ризниченко, 1985). Карта-схема, характеризующая сейсмодеформированное состояние литосферы Байкальского региона в изолиниях параметра d, построена по данным о землетрясениях, зарегистрированных в пределах площадок 2.02.0 (Ключевский, Демьянович, 2002; 2003). Наиболее существенной особенностью карты являются протяженные зоны и локальные участки максимальных значений коэффициента d, соответствующие областям повышенного сейсмодеформированного состояния литосферы (Рис.2).

Рис.2. Карта-схема изолиний коэффициента d. 1 - изолинии коэффициента d; 2 - впадины; 3 - участки с пониженными значениями d; 4 - участки с максимальным значением d. Штриховая линия соединяет максимумы зон неоднородностей.

Самая значительная по размерам и величине коэффициента d-(0.250.32) зона выделяется в центральной части карты и имеет, в целом, субмеридиональное направление. В районе Южно-Байкальской впадины локализуется участок с максимальными значениями d-(0.250.26). По мнению Н.А. Логачева (2003) этот участок является самым ранним элементом БРС, ее историческим ядром, а чем продолжительнее история деформационных процессов, тем сильнее и в большем объёме будет разрушена среда. Установлено, что расположение участка максимальных значений d в Южно-Байкальской впадине хорошо корреспондирует с зоной локальной инверсии осей главных напряжений во втором районе в 1978-79 году, а также с зоной наиболее высоких деформации (до 10-15 %), обнаруженной в результате численного двумерного моделирования НДС земной коры по профилю вкрест БРЗ (Гольдин и др., 2006). На юго-западном фланге Байкальского региона выделяется зона менее высоких значений коэффициента d-(0.290.32). Эта зона имеет северо-западное простирание и прослеживается от Хангая до Хубсугульской впадины. Участок максимального значения коэффициента d-0.29 локализуется в северной части между Дархатской и Хубсугульской впадинами и совпадает с зоной локальной инверсии осей главных напряжений на юго-западном фланге БРЗ в 1978-79 году. К северо-востоку выделяются два участка повышенных значений коэффициента d, а протяженная зона формируется изолиниями d-(0.340.35). Южный максимум имеет значение коэффициента d-0.32, а северный - d-0.29. В центральной части этой зоны происходит изменение направленности изолиний с субмеридионального на северо-восточное. Этот участок совпадает с зоной локальной инверсии осей главных напряжений на северо-восточном фланге БРЗ в 1978-79 году и корреспондирует с зоной наиболее высоких деформации (до 10 %), полученной при численном моделировании НДС земной коры по профилю вдоль северо-восточного фланга БРЗ. Совпадение участков локальной перестройки поля напряжений и максимумов зон неоднородностей указывает на то, что выделение таких зон обусловлено не только деформированным состоянием литосферы, но и особенностями напряженного состояния среды в зонах доминирования рифтогенеза (Ключевский, 2003; 2005).

Выполнено детальное исследование НДС литосферы в зоне Белино-Бусийнгольского разлома, предопределяющего положение Белинской и Бусийнгольской рифтовых впадин на юго-западном фланге БРЗ (Ключевский, Демьянович, 2007; Демьянович и др., 2008). Решение этой фундаментальной геолого-геофизической задачи имеет важное прикладное значение - прогноз сейсмических, эколого-геологических и других воздействий в локально неустойчивых неоднородных средах с изменяющейся реологией. Установлено, что наблюдаемое в зоне разлома НДС литосферы неоднородно и неустойчиво. Более однородна южная часть разломной зоны и именно здесь произошли наиболее сильные сейсмические события и подавляющее число слабых толчков. В северо-западной части разломной зоны, особенно в ее последнем сегменте, среда максимально неоднородна, а сейсмичность здесь минимальна и представлена в основном слабыми толчками. Несмотря на большие положительные и отрицательные вертикальные суммарные смещения среды, результирующее максимальное смещение на порядок меньше, что, вероятно, связано с упруго-вязкой релаксацией и компенсацией гравитационной неустойчивости блоков литосферы при сейсмотектоническом течении горных масс. Результирующие отрицательные вертикальные смещения хорошо согласуются с рифтогенной природой Белинской и Бусийнгольской впадин, а в южной части разлома корреспондируют с Терехольской долиной. Выделяется структурная неоднородность среды южнее стыка первого и второго сегментов разлома, там, где произошли сильные землетрясения 1976 (K_P=14) и 1991 годов. Она отчетливо видна в результирующей картине НДС среды и ее положительные элементы отражены в рельефе поверхности Земли в виде перемычки между Бусийнгольской и Терехольской впадинами, а к отрицательной неоднородности приурочена палеосейсмоструктура Бусийнгол. Динамика напряженного состояния среды в зоне Белино-Бусийнгольского разлома корреспондирует с вариациями напряжений в литосфере первого района и первого участка, которые обусловлены современным рифтогенезом БРЗ. Карта-схема Коэффициента Относительной Локальной Опасности Разлома (КОЛОР) рекомендована как базовая при прогнозе сейсмических, эколого-геологических и других рисков в зоне разлома (Ключевский и др., 2007).

В третьей части диссертации развиты методы и алгоритмы решения основной обратной задачи реконструкции и идентификации деформированного состояния литосферы БРЗ по данным о радиусах дислокаций. Развиваемая методология, математическое и алгоритмическое обеспечение идентификации деформированного состояния среды позволяют по натурным сейсмологическим наблюдениям обнаружить и классифицировать качественно новые, присущие широкому классу природных объектов, особенности строения и эволюции БРС, связанные с неоднородностью и неустойчивостью НДС среды в литосфере. Установленные критерии и параметры пространственно-временных вариаций сейсмодеформированного состояния литосферы БРЗ характеризуют неоднородность и неустойчивость НДС среды и обосновывают второе защищаемое положение диссертации. В практическом плане такая информация может быть использована для целей сейсмического районирования и оценки сейсмического риска.

4. Сейсмичность Байкальской рифтовой зоны

Первые части диссертации посвящены изучению структуры и динамики НДС литосферы БРЗ, совместное влияние которых обусловило сложные нелинейные изменения НДС среды, нашедшие отражение в наблюдаемых пространственно-временных вариациях динамических параметров очагов землетрясений. Логическая последовательность проведенных исследований и соблюдение причинно-следственных условий дают возможность установить в этой части диссертации то, что выявленные геологические структуры и системные геофизические явления в литосфере БРЗ верифицируются в сейсмичности Байкальского региона. Для решения этой проблемы развиты методы и алгоритмы исследования региональной сейсмичности на различных пространственно-временных и энергетических уровнях, дающие возможность статистического анализа материалов и понимания связи структуры, динамики и энергетики сейсмичности с НДС литосферы БРЗ.

Рис.3. Карта эпицентров представительных землетрясений с K_Р8 Байкальского региона за 1964-2002 гг. 1 - разломы; 2 - впадины; 3 - озера; 4 - базальты; 5 - номера и границы районов и участков; 6 - энергетический класс K_Р и эпицентры сильных землетрясений с магнитудой M6. На врезках А и Б показаны графики годовых чисел N представительных землетрясений с K_Р8 Байкальского региона и трех районов (А), шести участков (Б).

В соответствии с данными “Каталога землетрясений Прибайкалья” наиболее опасной в сейсмическом отношении частью Байкальского региона является рифтовая зона, протянувшаяся системой впадин и обрамляющих их структур из северо-западной Монголии вдоль оз. Байкал к южной Якутии на расстояние почти 2200 км. Для представления структуры сейсмичности на рис.3 приведена карта эпицентров землетрясений Байкальского региона с энергетическим классом K_Р8, дополненная графиками годовых чисел толчков. На карте плотности эпицентров землетрясений отчетливо идентифицируется пространственное разделение сейсмичности на три района, в каждом из которых имеется зона доминирования рифтогенеза. Анализ свойств энергетики сейсмичности Байкальского региона и трех районов показал, что перестройки НДС в литосфере БРЗ верифицируются в максимумах наклонов графиков повторяемости землетрясений, а также в распределении максимальных всплесков выделенной упругой энергии во времени и в пространстве. Максимумы значений параметра и максимальные всплески выделенной упругой энергии во времени корреспондируют с тремя эпизодами перестройки НДС литосферы БРЗ. В целом же энергетика сейсмичности в регионе и трех районах различна, а ее кратковременные синхронизации происходит под влиянием перестроек НДС литосферы БРЗ (Ключевский, Демьянович, 2003; 2004).

Для исследования корреляции и эффектов синхронизации скорости сейсмического потока использованы временные ряды годовых чисел землетрясений N, происшедших в регионе, трех районах и шести участках (Ключевский, 2007). Отрезок времени 1964-2002 гг. разделен на выборки в три года, пять и десять лет и по реализациям одной длины вычислены коэффициенты парной корреляции сравниваемых территорий. Корреляционный анализ различной длины реализаций чисел землетрясений дает возможность установить эффекты синхронного нарастания скорости сейсмического потока на территории Байкальского региона, трех районов и шести участков при перестройках НДС литосферы. Сравнительный анализ динамики напряжений и скорости потока землетрясений в литосфере БРЗ и трех районов свидетельствует о синхронизации геодинамических и сейсмических процессов. Основные эпизоды синхронизации скорости потока толчков наблюдаются в конце 1960-х и в конце 1970-х - начале 1980-х годов, а синхронизация динамики напряжений соответствует концу 1960-х - началу 1970-х, концу 1970-х - началу 1980-х и концу 1980-х годов. Эпизод перестройки НДС литосферы в конце 1970-х - начале 1980-х годов выделяется продолжительностью и высоким уровнем синхронизации, что дает возможность рассматривать его в качестве доминирующего явления в литосфере Байкальского рифта за 1968-1994 годы. Этот эпизод находит доминантное отражение в синхронизации скорости потока толчков на всех исследуемых территориях региона. Наблюдаемая синхронизация свидетельствует, что перестройки НДС литосферы и активизации динамики сейсмичности происходят практически одновременно в различных областях БРЗ, а в остальное время скорости потока толчков в трех районах и шести участках Байкальского региона коррелированны слабо.

Рассмотрена связь перестроек НДС литосферы БРЗ с пространственно-временным распределением сильных землетрясений, а также с распределениями чисел групп афтершоков и роевых событий (Ключевский, 2003; 2005). Распределение сильных землетрясений Байкальского региона с K_P14 достаточно хорошо корреспондирует с перестройками НДС литосферы БРЗ. Так на флангах региона в 1967 и 1989 гг. произошли парами наиболее сильные толчки с K_P15, а в центральной части БРЗ пары землетрясений с K_P=14 зарегистрированы в 1981 и 1999 годах. В структурно-неоднородной среде идентифицированные эффекты могут быть связаны с попеременной неустойчивостью блока центральной части и блоков флангов литосферы БРЗ. Такое пространственно-временное распределение сильных землетрясений, отражающее природу, мощность и время активизации порождающих их явлений, корреспондирует с перестройками НДС литосферы. Это развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса, указывая на особую роль и существенное влияние перестроек НДС литосферы на сейсмичность БРЗ. Бусийнгольское землетрясение 1991 г. на юго-западном фланге не укладывается в предложенную схему, что предполагает возможность влияния неучтенных геолого-геофизических факторов и процессов, которые могут преобладать в соседних с БРЗ сейсмоактивных регионах Монголии, Якутии и Алтае-Саянской области, и отражаться в сейсмичности Байкальского региона. В Байкальском регионе не наблюдается однозначное соответствие перестроек НДС литосферы БРЗ и пространственно-временного распределения чисел групп афтершоков и групп роевых толчков. Значимое увеличение числа групп роевых толчков произошло в конце 1960-х гг. и в 1983 г., но в конце 1980-х - начале 1990-х гг. такой эффект не наблюдается. Значимое увеличение числа групп афтершоков наблюдается в 1980 и 1991 гг., но отсутствует в конце 1960-х - начале 1970-х гг.

Исследования по общему сейсмическому районированию территории Российской Федерации показали, что более 15% общей площади страны занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8-10 бальные зоны, требующие проведения обязательных антисейсмических мероприятий (Уломов, 1999), и Байкальский регион входит в число таких территорий. Около 40 толчков с энергетическим классом K_Р15 (магнитуда M_LH6) произошло в регионе за XX столетие, а одно из последних землетрясений с магнитудой M_W=6.1 зарегистрировано 25 февраля 1999 года в южной части озера Байкал и ощущалось в г. Иркутске силой 5-6 баллов. Установленная схема пространственно-временного распределения сильных землетрясений достаточно близко соответствует наблюдаемой сейсмичности. Однако при прогнозировании сильных землетрясений помимо места и времени необходимо оценить возможную магнитуду и период повторяемости вероятного сейсмического события, а также оценить возможный эффект сейсмического воздействия на наиболее развитые индустриальные центры. Оценка рекуррентных интервалов и вероятности сильных землетрясений Байкальского региона и трех входящих в него районов выполнена в рамках гипотезы характеристических землетрясений. Для вычисления рекуррентных интервалов и вероятности сильных землетрясений Байкальского региона использованы представительные сейсмические события с энергетическим классом K_P10.0 и магнитудой M_LH3.5, зарегистрированные региональной сетью сейсмических станций с 1960 по 1998 гг. Основные афтершоковые и роевые серии толчков исключены из массива используемых данных. При вычислении рекуррентных интервалов сильных землетрясений использован метод, основанный на принципе максимума энтропии, а оценки вероятности сильных землетрясений получены в предположении, что распределение сейсмических толчков соответствует закону Пуассона. Если величину максимально возможного энергетического класса землетрясений принять равной K_max=19, то рекуррентные интервалы характеристических толчков с K_P=18 составят 220 лет для Байкальского региона, 370, 470 и 430 лет для юго-западного, центрального и северо-восточного районов. При K_max=19 в пределах этих территорий величины энергетического класса землетрясений с 10% вероятностью реализации в течение 50 лет равны K_P=18.39, K_P=18.15, K_P=18.00 и K_P=18.06. Вероятности землетрясений с K_P=18.0 в течение 50 лет составляют P=0.20, P=0.13, P=0.10 и P=0.11, соответственно (Ключевский и др., 2005).

Модельный расчет средних динамических параметров упругих колебаний скального грунта от сильных землетрясений южного Прибайкалья осуществлен для трех крупных городов юга Восточной Сибири - Иркутска, Ангарска и Усолье-Сибирского (Ключевский, Демьянович, 2002). Проанализирована сейсмичность зон ВОЗ, способных генерировать сильные толчки, сотрясения от которых могут сформировать максимальные колебания грунта в этих населенных пунктах. В северной части, на территории Сибирской платформы, зоны ВОЗ отсутствуют, а на расстояниях до 100 км к юго-западу от городов с объектами повышенной ответственности, особо ответственными сооружениями и большой численностью населения могут произойти землетрясения с магнитудой до M=7.9 (Хромовских и др., 1996). В соответствии с комплектом карт ОСР-97 такие землетрясения могут сформировать колебания грунта и сооружений в этих городах интенсивностью до 9 баллов по шкале MSK-64 (Уломов, 1999). При оценке смещений скального грунта учтены особенности среды и физических процессов, происходящих в очаговых зонах землетрясений южного Прибайкалья. Приведены результаты вычислений значений максимальной амплитуды A_Kmax и периода T_Kmax смещений скального основания в центральной части гг. Иркутска, Ангарска и Усолье-Сибирского. Установлено, что максимальные смещения в г. Иркутске могут быть вызваны толчками, произошедшими к юго-востоку и западу от города, в элементарных площадках №12 и №15. Максимальные амплитуд смещений скального основания в гг. Усолье и Ангарске возможны от толчков из элементарной площадки №15. Площадка №15 расположена в зоне повышенных значений сейсмического момента землетрясений в центральной части Восточно-Саянской зоны ВОЗ, высокий сейсмический потенциал которой (M=7.9) в совокупности с повышенной опасностью землетрясений делают эту зону чрезвычайно опасной в сейсмическом отношении. Расчеты амплитуды и периода максимальных смещений скального основания в городах Прибайкалья, выполненные с использованием динамических параметров очагов землетрясений, дают возможность учета природы сейсмических толчков и позволяют детерминировать районы с потенциально более опасными землетрясениями.

В четвертой части диссертации развиты методы и алгоритмы, направленные на решение задачи идентификации параметров и характеристик сейсмичности Байкальского региона, верифицирующих связь сейсмичности и НДС литосферы БРЗ. Развиваемая методология, математическое и алгоритмическое обеспечение позволяют по натурным и хорошо проверяемым материалам сейсмологических наблюдений верифицировать в сейсмичности качественно новые особенности структуры и эволюции литосферы БРЗ, обусловленные неоднородностью и неустойчивостью НДС среды. Верифицированные эффекты в контексте детерминированного хаоса могут быть поняты как бифуркации при переходе неустойчивой геолого-геофизической среды различного иерархического уровня из одного метастабильного состояния в другое. Такое представление развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса в условиях БРЗ, отражая особую роль и существенное влияние перестроек НДС литосферы на сейсмичность Байкальского региона, и обосновывают третье и четвертое защищаемое положение диссертации. В практическом плане полученная информация может быть использована для целей сейсмического районирования, прогноза сейсмической опасности и моделирования смещений скального грунта при сильных землетрясениях.

Заключение

В диссертационной работе в рамках решения проблемы обеспечения сейсмической безопасности на территории Байкальского региона разработаны экспериментальные, методические, теоретические, математические и алгоритмические проблемы технологии, позволяющей реконструировать и идентифицировать структуру НДС и сейсмичности в БРЗ на различных пространственно-временных масштабах и энергетических уровнях. Поскольку исследование НДС литосферы и сейсмичности БРЗ осуществлено при сопоставимых в количественном отношении материалах с использованием почти 95% зарегистрированных землетрясений, то полученные в диссертации результаты и выводы можно охарактеризовать как представительные при высоком уровне значимости. Достоверность полученных в диссертации результатов и выводов подтверждается высокой представительностью используемых данных, верификацией по натурным и хорошо проверяемым материалам сейсмологических и геофизических наблюдений и широкой апробацией. Развитые методы и алгоритмы решения основной обратной задачи реконструкции и идентификации НДС литосферы и сейсмичности в БРЗ по данным очаговой и структурной сейсмологии позволили установить и верифицировать качественно новые, присущие широкому классу природных объектов, фундаментальные особенности строения и эволюции БРС, формируемые структурной неоднородностью и динамической неустойчивостью среды. Развита феноменологическая модель стационарного сейсмического процесса и разработан метод прогноза динамики сейсмичности с учетом происходящих в литосфере БРЗ перестроек НДС среды. В практическом плане полученные результаты могут быть использованы для решения проблем сейсмической безопасности в Байкальском регионе.

По формулам модели источника Д. Бруна и первого варианта модели среды распространения сейсмических сигналов определены динамические параметры очагов почти 90 тысяч толчков, используемые в диссертации для реконструкции и идентификации НДС литосферы БРЗ. Развита методика исследования кинематики и динамики сейсмичности в БРЗ, применение которой к группам землетрясений показало, что общей характерной чертой сейсмичности в кластерах является зависимость от наиболее сильных толчков. Разработана методика реконструкции и идентификации НДС среды, а ее применение к локальным областям групп толчков БРЗ позволило установить, что наблюдаемые изменения динамических параметров источников происходят под влиянием перестроек НДС очаговой среды, согласуются с пространственно-временным потоком землетрясений и объясняют особенности его распределения. Установлено, что в продолжительных сериях афтершоков при повышенном уровне деформационных процессов, характерном для перестроек НДС среды, возникает явление самоорганизации, направленное на ускоренный сброс напряжений. Кинематика и динамика афтершоков корреспондируют с характером перестроек НДС среды в зонах очагов сильных землетрясений, который в целом аналогичен механизму перестроек НДС литосферы БРЗ. Аналогия механизмов перестроек объясняется самоподобием структурно-неоднородной среды. Результаты проведенных исследований показывают, что стадии неустойчивости НДС очаговой среды обусловлены последействием сильнейших землетрясений, моменты усиления неустойчивости верифицированы в активизации сейсмического процесса, а наблюдаемая стадийность и системность сейсмодеформационного процесса является одним из атрибутов механизма возвращения системы разломов-блоков в метастабильное состояние после главных землетрясений.

Результаты реконструкции и идентификации напряженного состояния литосферы БРЗ по данным о сейсмических моментах сильных землетрясений подтверждены по данным классического метода фокальных механизмов. В диссертации установлено, что в пределах БРЗ доминирует режим рифтогенеза с формированием толчков-сбросов при вероятности P_N0.5, а локальные области повышенной вероятности сдвигов и взбросов детерминируют неоднородности НДС в литосфере БРЗ. Анализ динамики напряжений в литосфере БРЗ также подтверждает доминирующую роль рифтогенеза, однако эта доминанта неустойчива и в конце 1980-х - начале 1990-х гг. возникла ситуация примерного равенства и даже частичного преобладания сдвигов и взбросов. На картах пространственного распределения сейсмических моментов сильных землетрясений выделены районы со статистически значимыми вероятностями реализации типа подвижки в очаге. Такая идентификация, в совокупности с другими геолого-геофизическими методами, дает возможность более надежно и обоснованно подойти к сейсмическому районированию территории региона на основе классификации сейсмических толчков по типу подвижки в очаге. Применение коэффициента b_M для целей идентификации напряженного состояния среды показало, что с 1968 по 1994 годы в регионе произошли три значительных эпизода перестройки напряженного состояния литосферы Байкальского рифта. Установлено, что наблюдаемый эффект связан с упорядоченными изменениями сейсмических моментов землетрясений и обусловлен инверсией осей главных напряжений, возникающей в локальных областях доминирования рифтогенеза, расположенных в трех районах БРЗ. Использование элементов аппарата теории нелинейных динамических систем позволило установить, что фазовому портрету напряжений в литосфере Байкальского рифта близко соответствует модель с бифуркацией трехкратного равновесия, а нелинейная динамика напряжений в литосфере Байкальского рифта формирует нелинейность сейсмогенеза с генерацией сильных землетрясений.

Развитие методов идентификации деформированного состояния литосферы с помощью коэффициента b_R, среднегодовых радиусов дислокаций, коэффициента формы дислокации и параметра d позволило установить неоднородность и нестабильность сейсмотектонического деформирования литосферы БРЗ. Установлено, что наиболее сильно деформирована центральная часть БРЗ, а сейсмотектонические деформации на флангах региона примерно сопоставимы. Процесс сейсмотектонического деформирования литосферы БРЗ в целом аналогичен механизму деформирования очаговых зон сильных землетрясений, что свидетельствует о самоподобном характере сейсмотектонического деформирования среды на различных иерархических уровнях литосферы. Установлен колебательный характер сейсмотектонических деформаций в БРЗ с периодичностью около 10 лет, быстрым падением и нарастанием уровня деформаций после перестроек НДС литосферы БРЗ. Развитие методов детальной идентификации позволило установить сложную пространственную структуру деформированного состояния литосферы БРЗ: зоны повышенной дислоцированности среды приурочены к рифтовым впадинам, а максимальные сейсмотектонические деформации среды обнаружены в Южно-Байкальской впадине, являющейся историческим ядром БРС. Расположение участков максимально неоднородной среды хорошо корреспондирует с зонами локальной инверсии осей главных напряжений в трех районах БРЗ, а также с зонами наиболее высоких деформации, обнаруженных при численном двумерном моделировании НДС литосферы по профилю вкрест БРЗ в центральной части и на северо-востоке региона. Развиты методы и алгоритмы реконструкции и идентификации НДС литосферы с целью детального изучения разломных зон по материалам структурной и очаговой сейсмологии при максимально возможной пространственной дискретизации данных. Применение их к анализу НДС в зоне Белино-Бусийнгольского разлома на юго-западе БРЗ позволило установить, что наиболее сильные землетрясения произошли в структурно неоднородной южной части разломной зоны, причем перед наиболее сильными толчками наблюдаются изменения НДС среды. Происходящие в зоне разлома сейсмотектонические процессы адекватно отражают рифтовую природу БРЗ: установлено, что НДС среды в зоне разлома неоднородно, а динамика напряжений хорошо корреспондирует с вариациями напряженного состояния литосферы южного Прибайкалья и БРЗ. Полученная карта-схема КОЛОР рекомендована как базовая при прогнозе сейсмических, эколого-геологических и других рисков в зоне разлома.

В диссертации установлено, что структура и перестройки НДС литосферы БРЗ верифицируются в сейсмичности: в поле эпицентров толчков идентифицируется разделение сейсмичности БРЗ на три района, в каждом из которых имеется зона доминирования рифтогенеза. В энергетической структуре сейсмичности соответствие прослеживается в изменениях наклонов графиков повторяемости землетрясений, а также в распределении суммарной сейсмической энергии во времени. Эффекты синхронного нарастания скорости сейсмического потока на территории Байкальского региона, трех районов и шести участков указывают, что перестройки НДС в литосфере и активизации динамики сейсмичности происходили практически в одно время в различных областях БРЗ. Эпизод синхронизации динамики напряжений и скорости потока землетрясений в начале 1980-х годов выделяется продолжительностью и уровнем корреляции, что дает возможность рассматривать его в качестве доминирующего явления в литосфере Байкальского рифта за 1968-1994 годы. Наблюдаемое распределение сильных землетрясений в виде парных пространственно разнесенных событий корреспондирует с перестройками НДС литосферы БРЗ. Наблюдаемая на исследуемом уровне сейсмогенеза стадийность и системность процесса является одним из атрибутов механизма возвращения иерархической системы разломов-блоков в метастабильное состояние после геодинамических перестроек. Установленные эффекты в контексте детерминированного хаоса рассматриваются как бифуркации при переходе неустойчивой геолого-геофизической среды различного иерархического уровня из одного метастабильного состояния в другое. Такое представление развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса в БРЗ, в которой учитывается особая роль и существенное влияние структуры и перестроек НДС литосферы на сейсмичность в регионе.

В рамках феноменологической модели стационарного сейсмического процесса и гипотезы характеристических землетрясений развита методика оценки рекуррентных интервалов и вероятности сильных землетрясений в БРЗ, основанная на принципе максимума энтропии и законе Пуассона. Установлено, что при максимально возможной величине энергетического класса землетрясений K_max=19 рекуррентные интервалы характеристических толчков с K_P=18 составят 220 лет для Байкальского региона, 370, 470 и 430 лет для юго-западного, центрального и северо-восточного районов. При K_max=19 в пределах этих территорий величины энергетического класса землетрясений с 10% вероятностью реализации в течение 50 лет равны K_P=18.39, K_P=18.15, K_P=18.00 и K_P=18.06. Вероятности землетрясений с K_P=18.0 в течение 50 лет составляют P=0.20, P=0.13, P=0.10 и P=0.11, соответственно. Разработан метод математического моделирования смещений скального грунта, в котором учитываются особенности НДС среды и физических процессов, происходящих в очаговых зонах землетрясений. Применение метода к землетрясениям южного Прибайкалья показало, что наиболее сильные сотрясения в крупных городах юга Восточной Сибири могут быть вызваны толчками, происшедшими в площадке №15, расположенной в центральной части Восточно-Саянской зоны ВОЗ, высокий сейсмический потенциал которой (M=7.9) в совокупности с повышенной опасностью землетрясений делают эту зону чрезвычайно опасной в сейсмическом отношении. Математическое моделирование, позволяющее оценить сейсмический потенциал зон и рассчитать уровень сейсмического риска урбанизированных территорий по материалам натурных сейсмологических наблюдений, рекомендовано для проведения детального сейсмического районирования территории Прибайкалья (Ключевский и др., 2007).

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Сейсмотектоника и сейсмичность Прихубсугулья/Кочетков В.М., Хилько С.Д., Зорин Ю.А…. Ключевский А.В. и др. Новосибирск: Наука, 1993. 182 с.

2. Complex geophysical and seismological investigations in Mongolia/Dzhurik V.I., Dugarmaa T., …Klyuchevskii A.V. et al. Ulaanbaatar-Irkutsk, 2004. 315 p.

3. Ключевский А.В. Сравнительное исследование сейсмометрических каналов с магнитной и гальванометрической регистрацией/Автореферат диссертации канд. техн. наук. М.: ИФЗ АН СССР, 1986. 21с.

4. Ключевский А.В. Калибровка каналов аппаратурного комплекса “Черепаха”//Геология и геофизика. 1988. №3.С. 107-112.

5. Ключевский А.В. Сравнительный анализ записей сейсмографов с магнитной и гальванометрической регистрацией//Геология и геофизика. 1989. №3. С.125-132.

6. Ключевский А.В. Определение динамических параметров очагов землетрясений по записям аппаратуры с магнитной и гальванометрической регистрацией//Геология и геофизика. 1989. №9. (Депонировано в ВИНИТИ 20.04.89 №2577-В89).

7. Ключевский А.В. Сейсмический процесс как суперпозиция деконсолидирующих афтершоковых последовательностей сильных землетрясений/Сейсмология и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке. Владивосток: 1989, Ч.1. С.25-26.

8. Ключевский А.В. Расчет канала с последовательно-параллельной группой сейсмоприемников//Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1990. Вып.92. С.39-49.

9. Ключевский А.В. Динамические параметры очагов землетрясений Южного Прибайкалья. Южно-Сахалинск: 1991. С.47-48.

10. Ключевский А.В. Динамические параметры очагов афтершоков Северо-Монгольского землетрясения//Геология и геофизика. 1993. №6. С.136-141.

11. Ключевский А.В. Динамические параметры очагов афтершоков Байкальской сейсмической зоны//Геология и геофизика. 1994. №2. С.109-116.

12. Ключевский А.В., Селенгэ Л. Сравнительный анализ динамических параметров очагов землетрясений Монголии/Глубинное строение и геодинамика Монголо-Сибирского региона. Новосибирск: Наука, 1995. С. 55-64.

13. Ключевский А.В Динамические параметры очагов землетрясений Монголии// Вулканология и сейсмология. 1997. №3. С.100-110.

14. Ключевский А.В. Динамические параметры очагов группирующихся событий Байкальской сейсмической зоны/Геологическая среда и сейсмический процесс. Иркутск: ИЗК, 1997. С.110-111.

15. Ключевский А.В. Динамические параметры очагов сильных землетрясений Байкальского региона/Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Петропавловск-Камчатский: 1999. C.126.

16. Klyuchevskii A.V., Demyanovich V.M. Spatio-temporal variation of stress drop in earthquake foci of the Baikal Rift Zone/Proceeding of Third Annual Meeting of Rifting in intracontinental setting: Baikal Rift System and other Continental Rift. IGCP 400. Irkutsk - Tervuren: 1999. P. 98-100.

17. Klyuchevskii A.V., Demyanovich V.M. Investigation of stress drop in aftershock foci of South-Yakutia and Busingol earthquakes/Seismology in Siberia at the Millenium boundary. Novosibirsk: 2000. P.324-326.

18. Ключевский А.В., Демьянович В.М. Вероятность сильных землетрясений Байкальской сейсмической зоны/Сейсмические опасность и воздействия. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. С.12-14.

19. Klyuchevskii A.V., Demyanovich V.M. Estimate of recurrence intervals and the probability of the largest earthquakes in Baikal rift zone and Mongolia/Third meeting of Asian Seismological Commission and Symposium on Seismology, Earthquake hazard assessment and Earth's interior related topics. Tehran: 2000. P.15.

20. Klyuchevskii A.V., Demyanovich V.M. Integral and average characteristics of dynamic parameters of earthquake foci in Baikal rift zone/Third meeting of Asian Seismological Commission and Symposium on Seismology, Earthquake hazard assessment and Earth's interior related topics. Tehran: 2000. P.69.

21. Ключевский А.В. Пространственно-временные вариации сейсмических моментов очагов землетрясений Байкальского региона//ДАН. 2000. Т.373. №5. С.681-683.

22. Ключевский А.В. Локализация начальных действий мантийного диапира в зоне Байкальского рифта//ДАН. 2001. Т.381. №2. С.251-254.

23. Ключевский А.В., Демьянович В.М. Исследование формы дислокаций в очагах землетрясений Байкальского региона/Физические основы прогнозирования разрушения горных пород. Красноярск: 2002. С.291-297.