докт. геол.-мин. наук Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, Россия Тел. (495)9391912
Doctor of Geology and Mineralogy Lomonosov Moscow State University Leninskie Gory, Moscow 119991, GSP-1, Russia Tel. +7(495) 9391912
докт. геол.-мин. наук, заместитель директора по науке Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН 123995, ГСП-5, Москва, ул. Большая Грузинская, 10, Россия
Doctor of Physics and Mathematics, Deputy Director The Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS 10 Bol’shaya Gruzinskaya street, Moscow D-242 123995, GSP-5, Russia
канд. геол.-мин. наук Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, Россия
Candidate of Geology and Mineralogy Lomonosov Moscow State University Leninskie Gory, Moscow 119991, GSP-1, Russia
аспирант Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, Россия
PhD Student Lomonosov Moscow State University, Geological Faculty Leninskie Gory, Moscow 119991, GSP-1, Russia
канд. физ.-мат. наук Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, Россия
Candidate of Physics and Mathematics Lomonosov Moscow State University, Geological Faculty Leninskie Gory, Moscow 119991, GSP-1, Russia
Для очага землетрясения характерны две нодальные плоскости, ориентированные параллельно двум плоскостям максимальных касательных напряжений (рис. 1, слева). Вдоль одной из них происходит быстрое смещение сдвигового типа (в механическом, а не в геологическом смысле), что и вызывает землетрясение.
Концепция тектоники литосферных плит с одним из ее главных компонентов – зонами субдукции – предоставляет, на первый взгляд, однозначную возможность выбора одной из двух нодальных плоскостей – пологопадающую плоскость параллельно кровле пододвигающейся океанической плиты (рис. 1, нижний справа). Другая же, крутопадающая в противоположном направлении, нодальная плоскость (рис. 1, верхний справа) кажется в аспекте сейсмичности «бесперспективной» по двум причинам. Во-первых, смещение вдоль нее противоречит общему направлению всего процесса субдукции – поддвигу океанической плиты. Во-вторых, такое смещение направлено против направления силы тяжести, что энергетически невыгодно.
Однако не следует забывать, что в поле напряжений зоны субдукции, как и в любом поле напряжений, оба упомянутые выше максимальные касательные напряжения равны по своей величине. В то же время именно субвертикальное смещение вызывает быстрое поднятие морского дна, стимулирующее цунами. Сторонники традиционного выбора пологой действующей нодальной плоскости вынуждены с этим считаться и поэтому создают модели, наиболее удачной и в то же время достаточно сложной и противоречивой из которых можно считать модель «splay fault» (рис. 56, 57).
Мы считаем, что геолого-геофизическая модель (рис. 1 справа), созданная с учетом самой разнообразной информации, в которой обе нодальные плоскости считаются равноправными и к тому же чередующимися при «производстве» сильных землетрясений, более адекватно отображает геологическую действительность.
Целью данной статьи является рассмотрение этой модели с позиций тектонофизики. Для этого очаги землетрясений, обозначенные на рис. 1 справа, были квалифицированы как мегасколы Риделя R (справа внизу) и R’ (справа наверху), возникающие в геодинамической обстановке субгоризонтального сдвига (в данном случае поддвига океанической плиты) вдоль субгоризонтальной плоскости (рис. 3). Эта обстановка является одной из пяти элементарных геодинамических обстановок (рис. 2). Она сходна во всем, кроме положения плоскости сдвигания, с геодинамической обстановкой горизонтального сдвига вдоль вертикальной плоскости (рис. 4). А сколы Риделя, формирующиеся в этой последней обстановке, изучены наиболее детально с применением специально изготовленных приборов (рис. 5, 6). В результате такого изучения установилось мнение, что сколы Риделя R развиты несравненно лучше, чем сколы R’.
Наши эксперименты (рис. 7) подтвердили такое представление. Более того, выяснилось, что сколы R’, слабо развивающиеся в образцах из влажной глины (рис. 8, 9, 12, 13), вообще не развиваются в такой гранулированной среде, как смесь песка с солидолом (рис. 10, 11, 14), равно как и в других гранулированных средах (рис. 17), сходных с блочной средой верхов земной коры (рис. 18–20). Сколы R в такой среде формируются путем объединения более мелких эшелонированно расположенных трещин отрыва. Для такого способа формирования сколов в литературе предлагаются различные объяснения (рис. 15, 16), главным пунктом которых является объединение трещин отрыва посредством трещин скалывания. Однако наши опыты с влажной глиной (рис. 31–35) показали, что даже искусственно созданные «сколы Риделя» при нагружении и последующем сдвигании почти не удлиняются, что ставит под сомнение вообще возможность возникновения трещин скалывания как таковых, без участия более мелких трещин отрыва.
Не довольствуясь результатами экспериментов, мы провели численное моделирование эволюции сколов Риделя R и R’ для разных величин литостатического давления (что в эксперименте с эквивалентными материалами вообще невозможно) и угла скалывания. (Реальные значения литостатического давления и касательного напряжения для глубин возникновения цунамигенных землетрясений отражены на рис. 41). Подтвердилось высказанное в словесной форме разными авторами мнение о влиянии неодинакового поворота этих сколов в процессе последующего сдвигания, слишком значительного и поэтому «губительного» для сколов R'. Это моделирование было проведено в предположении возникновения сколов без участия более мелких трещин отрыва (хотя это предположение не согласуется с результатами проведенных нами экспериментов), что отображено на рис. 21–30. Для случая с участием трещин отрыва численное моделирование было затруднительно, и мы заменили его физическим моделированием, где мелкие трещины отрыва были созданы искусственно и расположены эшелонированно вдоль трасс будущих сколов; как трещины, так и их трассы были ориентированы в соответствии с вектором главных напряжений, которые возникали в моделях из влажной глины при сдвигании (рис. 36–40).
Результаты как физического, так и численного моделирования привели к однозначному выводу о явном преобладании сколов Риделя R над сколами R' для самых различных условий (за исключением самых начальных этапов сдвигания в образцах из влажной глины, которая, в силу внутренних связей между ее частицами, менее адекватно отражает природную блочную геологическую среду, чем гранулированные материалы).
Этот вывод находится в противоречии с достаточно обоснованной геолого-геофизической моделью формирования очагов сильных цунамигенных и нецунамигенных землетрясений (см. рис. 1), квалифицированных как мегасколы R и R', соответственно. Это противоречие устраняется, если принять во внимание резкую гравитационную неуравновешенность «тектонопары» островная дуга – глубоководный желоб, созданной процессом субдукции. Это неравновесие выражается как в контрасте рельефа, так и в контрасте гравитационных аномалий в этой «тектонопаре» (рис. 43). Мы предположили, что природа не может долго «терпеть». И обнаружили (главным образом на примере землетрясения Тохоку в Японии 11 марта 2011 г.) противодействующую реакцию природы – опускание прилегающей к островной дуге земной поверхности и поднятие этой поверхности, прилегающей к желобу, сопровождающиеся горизонтальным смещением земных масс от дуги к желобу (рис. 47–54, 58). Это процесс с тенденцией снижения контраста рельефа между дугой и желобом и инверсии знака гравитационных аномалий (рис. 44–46). И именно к границе между названными областями опускания и поднятия земной поверхности приурочены цунамигенные землетрясения – взбросы поверхности морского дна с поднятым крылом, обращенным к желобу (рис. 42). Это означает, что тенденция к гравитационному равновесию реализовала потенциальную возможность формирования мегасколов R', которые в других природных обстановках, а также по данным моделирования развиваются гораздо хуже (или совсем не развиваются), чем сколы R.
Приуроченность очагов цунамигенных землетрясений R’ к границе обширных областей опускания и поднятия ставит под сомнение традиционное представление о цунами как следствии резкого поднятия морского дна в области локального взброса. Резкое опускание обширной области морского дна неизбежно влечет за собой столь же резкое опускание уровня моря с отступлением моря от берега, что, например, привлекло внимание несчастных отдыхающих на о. Пхукет незадолго до Суматринского цунами. Столь же резкое одновременное поднятие морского дна в области, прилегающей к желобу, вызывает соответствующее поднятие уровня моря. И здесь в гравитационном неравновесии оказываются уже гораздо более подвижные, чем земные массы, массы воды, которые устремляются в сторону берега и вызывают собственно цунами (рис. 55).
Обобщенная модель формирования цунамигенных землетрясений как следствия тенденции к восстановлению гравитационного равновесия изображена на рис. 62. Рекомендацией по прогнозу цунамигенных землетрясений, в соответствии с выводами авторов, может являться непрерывный мониторинг высокоточных и высокочастотных измерений GPS и гравитационного поля для выявления намечающейся тенденции к инверсии тектонических движений и гравитационных аномалий в «тектонопарах» островная дуга – глубоководный желоб.
К этому можно добавить наблюдение за так называемыми «сейсмическими гвоздями» (рис. 59–61), которые можно трактовать как зарождающиеся мегасколы Риделя R' – предвестники сильного землетрясения, состоящие пока из более мелких магатрещин отрыва, наподобие показанных на рис. 10, 11, 14 и 17.
An earthquake source is characterized by two nodal planes oriented parallel to two planes of maximum shear stresses (Fig. 1, left). A rapid displacement of the shear type (in mechanical, rather than in the geological meaning) occurs along one of the planes and causes an earthquake.
The concept of plate tectonics with one of its main components, subduction zones, provides, at first sight, the unique opportunity to select one of the two nodal planes – a gently dipping plane which is parallel to the roof of the subducting oceanic plate (Fig. 1, bottom right). The other nodal plane that is steeply dipping in the opposite direction (Fig. 1, top right) seems ‘unpromising’, considering the aspect of seismicity, for two reasons. First, displacement along this plate is contrary to the general direction of oceanic plate subduction. Secondly, such displacement is directed against the direction of gravity, which is energetically disadvantageous.
However, it should be taken into account that in the stress field of the subduction zone, as in any stress field, the two above-mentioned maximum shear stresses have equal values. At the same time, it is the sub-vertical displacement that excites rapid uplifting of the seabed which causes a tsunami. Researchers who support the traditional choice of a gently dipping nodal plane have to reckon with it and therefore create complex models, such as the ‘splay fault’ model that seem most successful, though being quite complicated and controversial (Figs. 56 and 57).
In our opinion, the geological reality is more adequately refelected by the geological and geophysical model shown in Fig. 1 (right). It is based on the wide range of information and assumes that both nodal planes are equivalent and interchange in generation of strong earthquakes.
The aim of this article is to consider this model in terms of tectonophysics. For this purpose, earthquake sources indicated on (Fig. 1, right) are classified as Riedel megashears, R (bottom right) and R' (top right top), which occur in the geodynamic setting of sub-horizontal shearing (in this case, subduction of the oceanic plate) along the sub-horizontal plane (Fig. 3). This situation is one of five elementary geodynamic settings (see Fig. 2). It is similar in everything, except the position of the shearing plane, with the geodynamic setting of horizontal shearing along the vertical plane (Fig. 4). Riedel shears formed in the latter situation were subject to the most detailed studies using purpose-made devices (Fig. 5, and 6). This study gave grounds to conclude that Riedel shears, R are developed much better than shears R'.
Our experiments (Fig. 7) confirm the above conclsuion. Moreover, it is revealed that shears R', that develop poorly in samples made of wet clay (Figs. 8, 9, 12, and 13), cannot develop in a granulated medium such as a mixture of sand and solid oil (Fig. 10, 11, and 14) and do not develop in other granulated media (Fig. 17), which are similar to the block structure of the uppermost crust (Fig. 18–20). In such mediums, shears R result from joining of small echeloned tension joints. Such style of shear formation has been explained in various waysare proposed (Fig. 15–16), and the main point of the explanations is joining of small tensile fractures by means of larger shear fractures. However, our experiments with wet clay (Fig. 31–35) show that even artificially created ’Riedel shears’ show nearly a zero extension under loading followed by shearing, which casts doubt on possibile occurence ofshear fractures as such without involvement of smaller tenson joints.
While being not satisfied with the results of our experiments, we carried out numerical simulations of the evolution of Riedel shears, R and R' for different values of lithostatic pressure (which is actually impossible in experiments with equivalent materials) and angles of shearing. (See Fig. 41 for real values of lithostatic pressure and tangential stress with reference to depths of tsunamigenic earthquakes). The opinion voiced by several authors was confirmed – the effect of unequal rotation of the shears during the subsequent shearing is highly significant and therefore ‘subversive’ for shears R'. This simulation was carried out under the assumption of emerging of shears without participation of smaller tension joints (although this assumption is not consistent with the results of our experiments, see above) (Fig. 21–30). Numerical simulation was problematic for the case involving tension joints and had to bereplaced by experiments with thephysical modelwhere small tension joints were artificially created and arranged in an echelon pattern along the tracks of future shear fractures, and small joints and tracks were oriented in accordance with the orientation of the vector of principal stresses that occurred in the model made of wet clay due to shearing (Fig. 36–40).
The results of both physical and numerical modeling have led to a definite conclusion that Riedel shears R are evidently dominating over shears R' in a variety of conditions (except for the initial stages of shearing in the samples of wet clay, which, by virtue of internal connections between clay particles, gives a less adequate representation of the natural block-type geological medium than granular materials).
This conclusion is in contradiction with the well-justified model combining geological and geophysical indicators of the formation of foci of strong tsunamigenic and non-tsunamigenic earthquakes (see Fig. 1) which are identified (see above) as megashears R and R', respectively. This contradiction is eliminated if we take into account the sharp gravitational disbalance of the island arc – trench ‘tectonopair’ created by subduction. This disbalance is expressed in the contrasting relief and in contrasting gravity anomalies in this ‘tektonopair’ (Fig. 43). We assumed that nature cannot be ‘tolerant’ for a long time, and found an opposite natural reaction (mainly in the case of the Tohoku earthquake in Japan on March 11, 2011) – subsidense of the Earth surface segment adjacent to the island arc and uplift of the surface segment adjacent to the trench, accompanied by horizontal movement of the material from the arc towards the trench (Figs. 47–54, and 58). This process has a trend of declining relief contrast between the arc and the trough and inversion of the sign of gravity anomalies (Figs. 44–46). And it is the boundary between these regions of the Earth surface subsidence and uplifting, to which tsunamigenic earthquake are confined at reverse faults of the seabed surface with the raised wall facing the trough (Fig. 42). This means that the tendency to gravitational equilibrium realized the potential of forming megashears R', that develop much worse than shears R (or do not develop at all) in other natural and modelled settings.
The conclusion that foci of tsunamigenic earthquakes R' are confined to the margin between sibsiding and uplifting regions challenges the traditional concept that a tsunami is a consequence of a sharp rise in the seabed in the local uplift area. A slashing subsidence of a vast area of the seabed entails an equally sudden sharp lowering of the sea level and the retreat of the sea from the coast. Such a phenomena was observed by unlucky tourists at the Phuket island just before the Sumatra tsunami. In a similar way, a sudden uplifting of the seabed in the area adjacent to the trough causes a corresponding rise of the sea level. In such cases, masses of water, that are much more mobile than terrestrial masses, are subject to the gravitational disequilibrium, rush towards the shore and cause a tsunami (Fig. 55).
A consolidated model of tsunamigenic earthquakes resulting from the trend to restoration of the gravity equilibrium is shown in Fig. 63. According to our conclusions, it is recommended that tsunamigenic earthquakes forecasting should be based on continuous high-precision and high-frequency monitoring of GPS and gravitational field measurements and aimed at early detection of a tendency to inversion of tectonic movements and gravity anomalies in the island arc – trench ‘tectonopairs’.
Observations of the so-called seismic ‘nails’ (Figs. 59–61) should also be conducted. Seismic ‘nails’ can be interpreted as incipient Riedel megashears R', consisting of smaller tension megafractures (similar to those shown in Figs. 10, 11, 14, and 17), which are viewed as precursors of a strong earthquake.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.