НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОГНОЗУ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В ЮЖНО-БАЙКАЛЬСКОМ РЕГИОНЕ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД: МЕТОДОЛОГИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Южное Прибайкалье (ЮП) находится в пределах активно развивающейся Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), обладающей значительным сейсмическим потенциалом. Здесь периодически происходят землетрясения с магнитудой более 7 и с интенсивностью сотрясений в эпицентрах до 10 баллов. В условиях высокой степени урбанизации ЮП и активного развития в его пределах промышленных кластеров и транспортных систем существенно повышается актуальность проблемы прогноза сильных землетрясений. В ИЗК СО РАН для решения этой проблемы проводится комплекс исследований по разным направлениям. Одно из них связано с инструментальным изучением современных движений литосферы на больших базах посредством GPS-геодезии и деформаций горных пород на малых базах штанговыми тензометрическими датчиками. Существующе пункты GPS и деформационных измерений объединены в уникальную научную установку «Южно-Байкальский инструментальный комплекс для мониторинга опасных геодинамических процессов» (УНУ «ЮБИК»), входящую в состав ЦКП «Геодинамика и геохронология».

В статье рассмотрены методические вопросы деформационного мониторинга на малых базах. Описаны его концептуальная основа, техническая база и методы обработки получаемого фактического материла. На примере произошедших в последнее время в ЮП трех сильных землетрясений – Култукского (27.08.2008 г.), Быстринского (21.09.2020 г.) и Кударинского (10.12.2020 г.) – показаны предшествующие им особенности развития деформаций горных пород, а также влияние на них структурно-геодинамических условий в местах расположения пунктов мониторинга и пространственного положения этих пунктов относительно готовящегося очага землетрясения.

1. Bak P., Tang C., 1989. Earthquakes as a Self-Organized Critical Phenomenon. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 94 (B11), 15635–15637. https://doi.org/10.1029/JB094iB11p15635.

2. Борняков С.А. Динамические критерии самоорганизации систем разрывов в сдвиговой зоне (по результатам физического моделирования) // Доклады АН. 2008. Т. 420. № 6. С. 822–824.

3. Bornyakov S.A., Dobrynina A.A., Seminsky K.Zh., Sankov V.A., Radziminovich N.A., Salko D.V., Shagun A.N., 2021. The Bystrinskii Earthquake in the Southern Baikal Region (Sep. 21, 2020, Mw=5.4): General Characteristics, Basic Parameters, and Deformation Signs of the Transition of the Focus to the Meta-Unstable State. Doklady Earth Sciences 498, 427–431. https://doi.org/10.1134/S1028334X21050044.

4. Борняков С.А., Ma Ц., Мирошниченко А.И., Гуо Ю., Салко Д.В., Зуев Ф.Л. Диагностика метанестабильного состояния сейсмоактивного разлома. Геодинамика и тектонофизика. 2017. Т. 8. № 4. С. 989–998. https://doi.org/10.5800/GT-2017-8-4-0328.

5. Bornyakov S.A., Miroshnichenko A.I., Salko D.V., 2016. Diagnostics of the Preseismogenic State of Heterogeneous Media According to Deformation Monitoring Data. Doklady Earth Sciences 468, 481–484. https://doi.org/10.1134/S1028334X16050032.

6. [Борняков С.А., Салко Д.В., Шагун А.Н., Добрынина А.А., Усынин Л.А. Медленные деформационные волны как возможный предвестник сейсмической опасности // Геосистемы переходных зон. 2019. Т. 3. № 3. С. 267–276. https://doi.org/10.30730/2541-8912.2019.3.3.267-276.

7. Bornyakov S.A., Vstovskii G.V., 2010. The First Experiment of Seismodeformational Monitoring of the Baikal Rift Zone: Example of the August 27, 2008, South-Baikal Earthquake. Doklady Earth Sciences 431, 469–473. https://doi.org/10.1134/S1028334X10040136.

8. Brace W.F., Byerlee J.D., 1966. Stick-slip as a Mechanism for Earthquake. Science153, 990–992.

9. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. М.: Мир,1966. 271 с..

10. Бухаров А.А. Кайнозойское развитие Байкала по результатам глубоководных и сейсмостратиграфических исследований // Геология и геофизика. 1996. Т. 37. № 12. С. 98–107.

11. Bykov V.G., 2005. Strain Waves in the Earth: Theory, Field Data, and Models. Russian Geology and Geophysics 11, 1158–1170.

12. Cicerone R.D., Ebel J.E., Britton J., 2009. A Systematic Compilation of Earthquake Precursors. Tectonophysics 476 (3–4), 371–396. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2009.06.008.

13. Ciliberto S., Laroche C., 1994. Experimental Evidence of Self-Organization in the Stick-Slip Dynamics of Two Rough Elastic Surface. Journal De Physique I 4, 223–235. https://doi.org/10.1051/JP1%3A1994134.

14. Feder H.J.S., Feder J., 1991. Self-Organized Criticality in Stick-Slip Process. Physical Review Letters 66 (20), 2669–2672. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.2669.

15. Фомин Ю.Н., Семибаламут В.М., Жмудь В.А., Панов С.В., Парушкин М.Д., Димитров Л.В. Результаты деформографических измерений в штольне на обсерватории Талая // Автоматика и программная инженерия. 2019. № 1 (27). С. 65–75.

16. Geller R.G., Jackson D.D., Ragan Y.Y., Mulargia F., 1997. Earthquake Cannot Be Predicted. Science 275 (5306), 1616. https://doi.org/10.1126/science.275.5306.1616.

17. Gomberg J., Rubinstein J.L., Peng Z.G., Creager K.C., Vidale J.E., Bodin P., 2008. Widespread Triggering of Nonvolcanic Tremor in California. Science 319 (5860), 173. https://doi.org/10.1126/science.1149164.

18. Haken H., 1978. Synergetics. Springer, 355 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-96469-5.

19. Haken H., 1983. Advanced Synergetics: Instability Hierarchies of Self-Organizing Systems and Devices. 2nd Edition. Springer, 356 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-45553-7.

20. Idehara K., Yabe S., Ide S., 2014. Regional and Global Variations in the Temporal Clustering of Tectonic Tremor Activity. Earth, Planets and Space 66, 66. https://doi.org/10.1186/1880-5981-66-66.

21. Логачев Н.А. Главные структурные черты и геодинамика Байкальской рифтовой зоны // Физическая мезомеханика. 1999. Т. 2. № 1–2. С. 163–170.

22. Lomb N.R., 1976. Least-Squares Frequency Analysis of Unequally Spaced Data. Astrophysics and Space Science 39, 447–462. https://doi.org/10.1007/BF00648343.

23. Ма Ц., Гуо Я., Шерман С.И. Ускоренный синергизм вдоль разлома: возможный индикатор неизбежного крупного землетрясения. Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 2. С. 387–399. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0134.

24. Ma J., Sherman S.I., Guo Y.S., 2012. Identification of Meta-Instable Stress State Based on Experimental Study of Evolution of the Temperature Field during Stick-Slip Instability on a Bending Fault. Science China Earth Sciences 55, 869–881. https://doi.org/10.1007/s11430-012-4423-2.

25. Mandelbrot B.B., 1982. The Fractal Geometry Nature. W.H. Freeman & Co, San Francisco, 480 p.

26. Мячкин В.Н. Процессы подготовки землетрясений. М.: Наука, 1978. 231 с..

27. Olami Z., Feder H.J.S., Christensen K., 1992. Self-Organized Criticality in a Continuous, Nonconservative Cellular Automaton Modeling Earthquakes. Physical Review Letters 68 (8), 1244. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.1244.

28. Peng Z., Gomberg J., 2010. An Integrated Perspective of the Continuum between Earthquakes and Slow-Slip Phenomena. Nature Geoscience 3, 599–607. https://doi.org/10.1038/ngeo940.

29. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P., 2007. Spectral Analysis of Unevenly Sampled Data. In: Numerical Recipes. The Art of Scientific Computing. Cambridge University Press, New York, p. 685–692.

30. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика: от тепловых двигателей до диссипативных структур. М.: Мир, 2002. 460 с..

31. Псахье С.Г., Ружич В.В., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Смекалин О.П. Изучение влияния водонасыщения и вибраций на режим смещений в зонах разломов // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. № 1. С. 23–30.

32. Псахье С.Г., Ружич В.В., Смекалин О.П., Шилько Е.В. Режимы отклика геологических сред при динамических воздействиях // Физическая мезомеханика. 2001. Т. 4. № 1. С. 67–71.

33. Ружич В.В. Высокоточный измерительный комплекс «Сдвиг» // Научный и промышленный потенциал Сибири. Инвестиционные проекты, новые технологии разработки: Международный каталог. Новосибирск: ЗАО «Новосибирский биографический центр», 2004. С. 90–91.

34. Ружич В.В., Псахье С.Г., Борняков С.А., Смекалин О.П., Шилько Е.Н., Черных Е.Н., Чечельницкий В.В., Астафуров С.В. Изучение влияния виброимпульсных воздействий на режим смещений в зонах сейсмоактивных разломов // Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5. № 5–6. С. 85–96.

35. Ружич В.В., Псахье С.Г., Черных Е.Н., Федеряев О.В., Димаки А.В., Тирских Д.С. Влияние виброимпульсных воздействий на активность смещений в трещинах горного массива // Физическая мезомеханика. 2007. Т. 10. № 1. С. 19–24.

36. Ружич В.В., Вахромеев А.Г., Левина Е.А., Сверкунов С.А., Шилько Е.В. Об управлении режимами сейсмической активности в сегментах тектонических разломов с применением вибрационных воздействий и закачки растворов через скважины // Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. № 3. С. 54–69.

37. Салко Д.В., Борняков С.А. Автоматизированная система для мониторинга геофизических параметров на геодинамических полигонах // Приборы. 2014. № 6. С. 24–28.

38. Sankov V.A., Lukhnev A.V., Miroshnitchenko A.I., Dobrynina A.A., Ashurkov S.V., Byzov L.M., Dembelov M.G., Calais E., Déverchère J., 2014. Contemporary Horizontal Movements and Seismicity of the South Baikal Basin (Baikal Rift System). Izvestiya, Physics of the Solid Earth 50, 785–794. https://doi.org/10.1134/S106935131406007X.

39. Savransky D., 2004. Lomb (Lomb-Scargle) Periodogram. Mathlab Central. Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/20004-lomb-lomb-scargle-periodogram (Last Accessed October 15, 2021).

40. Scargle J.D., 1982. Studies in Astronomical Time Series Analysis. II – Statistical Aspects of Spectral Analysis of Unevenly Spaced Data. The Astrophysical Journal 263, 835–853. http://dx.doi.org/10.1086/160554.

41. Scargle J.D., 1989. Studies in Astronomical Time Series Analysis. III – Fourier Transforms. Autocorrelation Function and Cross-Correlation Functions of Unevenly Spaced Data. The Astrophysical Journal 343, 874–887. http://dx.doi.org/10.1086/167757.

42. Seminsky K.Zh., Bornyakov S.A., Dobrynina A.A., Radziminovich N.A., Rasskazov S.V., Sankov V.A., Mialle P., Bobrov A.A. et al., 2021. The Bystrinskoe Earthquake in the Southern Baikal Region (21 September, 2020, Mw=5.4): Main Parameters, Precursors, and Accompanying Effects. Russian Geology and Geophysics 62 (5), 589–603. https://doi.org/10.2113/RGG20204296.

43. Sun W.F., Peng Z., Lin C.H., Chao K., 2015. Detecting Deep Tectonic Tremor in Taiwan with a Dense Array. Bulletin of the Seismological Society of America 105 (3), 1349–1358. https://doi.org/10.1785/0120140258.

44. Тимофеев В.Ю. Приливные и медленные деформации земной коры юга Сибири по экспериментальным данным: Автореф. дис. … докт. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2004. 36 с..

45. Timofeev V.Yu., Sarycheva Yu.K., Panin S.F., Anisimova L.V., Gridnev D.G., Masalskii O.K., 1994. Investigation of Earth Surface Tilts and Strains in the Baikal Rift Zone (Talaya Station). Russian Geology and Geophysics 35 (3), 101–110.

46. Velde B., Dubois J., Touchard G., Badri A., 1990. Fractal Analysis of Fractures in Rocks: The Cantor’s Dust Method. Tectonophysics 179 (3–4), 345–352. https://doi.org/10.1016/0040-1951(90)90300-W.

47. Vstovsky G.V., 2006. Factual Revelation of Correlation Lengths Hierarchy in Micro- and Nanostructures by Scanning Probe Microscopy Data. Materials Science 12 (3), 262–270.

48. Встовский Г.В. Выявление пространственных и временных иерархических структур в сложных системах // Флуктуации и шумы в сложных системах живой и неживой природы / Ред. Р.М. Юльметьев, А.В. Мокшин, С.А. Дёмин, М.Х. Салахов. Казань: Школа, 2008. С. 441–454.

49. Vstovsky G.V., Bornyakov S.A., 2010. First Experiences of Seismodeformation Monitoring of Baikal Rift Zone (by the Example of South-Baikal Earthquake of August 27, 2008). Natural Hazards and Earth System Sciences 10 (4), 667–672. https://doi.org/10.5194/nhess-10-667-2010.

50. Zhuo Y.-Q., Guo Y., Bornyakov S.A., 2019. Laboratory Observations of Repeated Interactions between Ruptures and the Fault Bend Prior to the Overall Stick-Slip Instability Based on Digital Image Correlation Method. Applied Sciences 9 (5), 933. https://doi.org/10.3390/app9050933.

51. Зубарев Д.Н., Морозов В.Г., Рёпке Г. Статистическая механика неравновесных процессов. М.: Физматлит, 2002. Т. 1. 432 с..