ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ФОРМИРОВАНИЯ ОЧАГОВ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В СЕЙСМИЧЕСКИХ ЗОНАХ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ

Сейсмические службы всего мира доступными сегодня методами и приборами круглосуточно следят за колебаниями земной коры и вариациями физических полей Земли, атмосферы и ионосферы. Тем не менее большинство катастрофических землетрясений даже в текущее столетие происходит в «неожиданных» местах и во «внезапное» время. Ошибки прогноза возникают из-за недостаточно полных современных представлений о механизмах очагов сильных (М≥8) землетрясений. В настоящее время очаг сильного землетрясения осмысливается как результат смещения контактирующих блоков вдоль разрыва (мегатрещины). Смещение происходит скачкообразно, сопровождаясь высокими или пониженными значениями силы трения в зависимости от наличия флюидов, зацепов на плоскостях разрывов или других причин. Сейсмические события прогнозируются по предвестниковым признакам.

Рассматриваются геолого-геофизические ситуации в границах областей динамического влияния разломов с землетрясениями 8>М>7.5. По графикам повторяемости, построенным для областей динамического влияния разломов, выделено четыре тектонофизических критерия формирования очагов сильных землетрясений: структурный (крупные сейсмоактивные разломы), кинематический (большие амплитуды смещения крыльев), реологический (физические свойства среды внутреннего наполнения разломов – пониженная вязкость внутриразломной среды) и динамический (повышенная скорость смещений). Они образуют ядро основных вопросов, изучение которых на количественной основе заложит научную базу долгосрочного прогноза сильных землетрясений. Графики обусловливают изменения физики очага при реализации сильных событий.

Установлены тектонофизические признаки разломов с локализацией сильных событий, позволяющие сделать следующие выводы. 1. Сильные катастрофические землетрясения с М≥8 в континентальной литосфере происходят в областях динамического влияния крупных разломов литосферы при относительно высоких амплитудах смещения пограничных блоков (крыльев разломов). 2. Смещения с высокими амплитудами при относительно стабильном поле напряжений происходят благодаря снижению вязкости (квазивязкости) среды, формирующей внутреннюю структуру разломов. 3. Снижение вязкости среды во внутренней структуре разломов связано с физическими условиями перехода горных пород в зонах разломов, преимущественно по плоскостям смещений, в состояние квазипластического или пластического течения (превышение одностороннего давления над всесторонним, относительное снижение прочностных свойств внутриразломной среды при увеличении их длины). 4. Снижение вязкости разломной зоны ведет к увеличению скорости смещений крыльев разломов при постоянном поле напряжений. Последний фактор – принципиально основной, трансформирующий сейсмоактивные разломы с М≤7.5 в аналогичные по характеристике, но энергетически более сильные с землетрясениями М≥8. В механизмах их очагов существуют условия весьма вероятной повышенной амплитуды смещения вне зависимости от наличия флюидов, зацепов на плоскостях мегатрещин или других малопредсказуемых факторов. Углубленное изучение внутренней структуры разломов с землетрясениями М≥8, их очагов, условий временнóго режима сейсмического процесса до сильных событий и после даст ключ к пониманию условий зарождения, критериев разрядки и возникновения землетрясений с максимальной энергией. Дальнейшие шаги в разработке геолого-геофизических, в том числе тектонофизических, критериев прогноза сильных землетрясений должны быть направлены на более детальное изучение сейсмических зон с зафиксированными сильными землетрясениями.

1. Atlas of Seismotectonics in Central Asia. Beijing, 2013. 129 p.

2. Chen S.J., Wang Z.C., Jiu-Qing T., 1998. Nonlinear magnitude frequency relation and two types of seismicity systems. Acta Seismologica Sinica 11 (2), 207–218. http://dx.doi.org/10.1007/s11589-998-0058-y.

3. Chinnery M.A., 1969. Earthquake magnitude and source parameters. Bulletin of the Seismological Society of America 59 (5), 1969–1982.

4. Dobrovolsky I.P., 1991. The Theory of Tectonic Earthquake Preparation. Nauka, Moscow, 218 p. (in Russian) [Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: Наука, 1991. 218 с.].

5. Florensov N.A., Solonenko V.P. (Eds.), 1963. The Gobi-Altai earthquake. Publishing House of Academy of Sciences of USSR, Moscow, 424 p. (in Russian) [Гоби-Алтайское землетрясение / Ред. Н.А. Флоренсов, В.П. Солоненко. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 424 с.].

6. Gatinsky Yu.G., Vladova G.L., Prokhorova T.V., Rundkvist D.V., 2011. Geodynamics of Central Asia and prediction of catastrophic earthquakes. Prostranstvo i Vremya (Space and Time) (3), 124–134 (in Russian) [Гатинский Ю.Г., Владова Г.Л., Прохорова Т.В., Рундквист Д.В. Геодинамика Центральной Азии и прогноз катастрофических землетрясений // Пространство и время. 2011. № 3. С. 124–134].

7. Gorbunova E.A., Sherman S.I., 2016. The probability of strong (M≥7.5) earthquakes in fault zones of Central Asia (tectonophysical analysis). Geodynamics & Tectonophysics 7 (2), 303–314 (in Russian) [Горбунова Е.А., Шерман С.И. Вероятность сильных (М≥7.5) землетрясений в зонах разломов Центральной Азии (тектонофизический анализ) // Геодинамика и тектонофизика. 2016. Т. 7. № 2. С. 303–314]. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2016-7-2-0208.

8. Gufeld I.L., Matveeva M.I., Novoselov O.N., 2011. Why we cannot predict strong earthquakes in the Earth’s crust. Geodynamics & Tectonophysics 2 (4), 378–415 (in Russian) [Гуфельд И.Л., Матвеева М.И., Новоселов О.Н. Почему мы не можем осуществить прогноз сильных коровых землетрясений // Геодинамика и тектонофизика. 2011. Т. 2. № 4. С. 378–415]. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2011-2-4-0051.

9. Gutenberg B., Richter C.F., 1944. Frequency of earthquakes in California. Bulletin of the Seismological Society of America 34 (4), 185–188.

10. Han Q., Wang L., Xu J., Carpinteri A., Lacidogna G., 2015. A robust method to estimate the b-value of the magnitude–frequency distribution of earthquakes. Chaos, Solitons & Fractals 81 (Part A), 103–110. http://dx.doi.org/10.1016/j.chaos.2015.09.004.

11. Kissin I.G., 2006. Sensitive zones of the Earth’s crust as a manifestation of dynamics of the interaction of blocks. Doklady Earth Sciences 407 (2), 418–423. http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X06030160.

12. Kocharyan G.G., Kishkina S.B., Ostapchuk A.A., 2011. Seismogenic width of a fault zone. Doklady Earth Sciences 437 (1), 412–415. http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X11030147.

13. Kocharyan G.G., Spivak A.A., 2003. Dynamics of Deformation of Rock Blocks. Akademkniga, Moscow, 423 p. (in Russian) [Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов пород. М.: Академкнига, 2003. 423 с.].

14. Kostrov B.V., 1975. Mechanics of Tectonic Earthquake Source. Nauka, Moscow, 176 p. (in Russian) [Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975. 176 с.].

15. Kuzmin Yu.O., 2004. Recent Geodynamics of Fault Zones. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 40 (10), 868–882.

16. Kuznetsova K.I., 1974. Features of earthquake recurrence curves and behavior of rock masses. In: Yu.V. Riznichenko (Ed.), Regional studies of seismic regime. Shtinnitsa, Kishinev, p. 100–108 (in Russian) [Кузнецова К.И. Особенности графика повторяемости землетрясений и поведение горных масс // Региональные исследования сейсмического режима / Ред. Ю.В. Ризниченко. Кишинев: Штинница, 1974. С. 100–108].

17. Lunina O.V., 2001. Lithosphere stress field as a control over seismogenic fault parameters and earthquake magnitudes. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 42 (9), 1389–1398.

18. Mogi K., 1966. Pressure dependence of rock strength and transition from brittle fracture to ductile flow. Bulletin of the Earthquake Research Institute 44 (1), 215–232.

19. National Earthquake Information Center (NEIC), 2016. Available from: http://earthquake.usgs.gov/ (last accessed October 7, 2016).

20. Pacheco J.F., Scholz C.H., Sykes L.R., 1992. Changes in frequency-size relationship from small to large earthquakes. Nature 355 (6355), 71–73. http://dx.doi.org/10.1038/355071a0.

21. Pisarenko V.F., Rodkin M.V., 2004. Heavy-tailed Distributions in Disaster Analysis. Computational seismology, vol. 38. GEOS, Moscow, 240 p. (in Russian) [Писаренко В.Ф., Родкин М.В. Распределение с тяжелыми хвостами: приложения к анализу катастроф. Вычислительная сейсмология. Вып. 38. М.: ГЕОС, 2004. 242 с.].

22. Pshennikov K.V., 1965. The Mechanism of Occurrence of Aftershocks and Nonelastic Properties of the Earth's Crust. Nauka, Moscow, 86 p. (in Russian) [Пшенников К.В. Механизм возникновения афтершоков и неупругие свойства земной коры. М.: Наука, 1965. 86 с.].

23. Purcaru G., 1975. A new magnitude-frequency relation for earthquakes and a classification of relation types. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society 42 (1), 61–79. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-246X.1975.tb05850.x.

24. Qi C., Haoxiang C., Bai J., Qi J., Li K., 2016. Viscosity of rock mass at different structural levels. Acta Geotechnica (in press). http://dx.doi.org/10.1007/s11440-016-0449-5.

25. Riznichenko Yu.V., 1965a. About seismic flow of rock masses. In: Yu.V. Riznichenko (Ed.), Dynamics of the Earth's crust. Nauka, Moscow, p. 56–63. (in Russian) [Ризниченко Ю.В. О сейсмическом течении горных масс // Динамика земной коры / Ред. Ю.В. Ризниченко. М.: Наука, 1965. С. 56–63].

26. Riznichenko Yu.V., 1965b. Relationship between rock flow and seismicity. Doklady AN SSSR 161 (1), 97–99 (in Russian) [Ризниченко Ю.В. Связь течения горных масс с сейсмичностью // Доклады АН СССР. 1965. Т. 161. № 1. С. 97–99].

27. Riznichenko Yu.V., 1985. Problems of Seismology. Selected Works. Nauka, Moscow, 408 p. (in Russian) [Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. Избранные труды. М: Наука, 1985. 408 с.].

28. Rodkin M.V., 2016. Catastrophes and Civilization. The Problem of Civilization Survival Viewed by a Physicist. Intellect Publishing House, Dolgoprudnyi, 232 p. (in Russian) [Родкин М.В. Катастрофы и цивилизации. Проблема выживания цивилизаций глазами физика. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2016. 232 с.].

29. Rodkin M.V., Pisarenko V.F., Ngo Thi Lu, Rukavishnikova T.A., 2014. On potential representations of the distribution law of rare strongest earthquakes. Geodynamics & Tectonophysics 5 (4), 893–904 (in Russian) [Родкин М.В., Писаренко В.Ф., Нго Тхи Лы, Рукавишникова Т.А. О возможных реализациях закона распределения редких сильнейших землетрясений // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 4. С. 893–904]. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2014-5-4-0161.

30. Rogozhin E.A., Ioganson L.I., Zavyalov A.D., Zakharov V.S., Lutikov A.I., Slavin L.B., Reisner G.I., Ovsyuchenko A.N., Yunga S.L., Novikov S.S., 2011. Potential Seismic Sources and Seismic Precursors of Earthquakes – The Basis for a Real Earthquake Prediction. Svetoch Plus, Moscow, 368 p. (in Russian) [Рогожин Е.А., Иогансон Л.И., Завьялов А.Д., Захаров В.С., Лутиков А.И., Славина Л.Б., Рейснер Г.И., Овсюченко А.Н., Юнга С.Л., Новиков С.С. Потенциальные сейсмические очаги и сейсмологические предвестники землетрясений – основа реального сейсмического прогноза. М.: Светоч Плюс, 2011. 368 с.].

31. Sadovsky M.A., Bolkhovitinov L.G., Pisarenko V.F., 1987. Deformation of Geophysical Medium and Seismic Process. Nauka, Moscow, 100 p. (in Russian) [Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 100 с.].

32. Sadovsky M.A., Pisarenko V.F., 1991. Seismic Process in Block Medium. Nauka, Moscow, 96 p. (in Russian) [Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука, 1991. 96 с.].

33. Sherman S.I., 1977. Physical Regularities of Faulting in the Earth's Crust. Nauka, Novosibirsk, 102 p. (in Russian) [Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука, 1977. 102 с.].

34. Sherman S.I., 2009a. A tectonophysical model of a seismic zone: experience of development based on the example of the Baikal rift system. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 45 (11), 938–951. http://dx.doi.org/10.1134/S1069351309110020.

35. Sherman S.I., 2009b. Tectonophysical parameters of lithospheric faults, selected methods of study and cases. In: Yu.L. Rebetsky (Ed.), Modern tectonophysics. Methods and results. IPE RAS, Moscow, p. 302–317 (in Russian) [Шерман С.И. Тектонофизические параметры разломов литосферы, избранные методы изучения и примеры использования // Современная тектонофизика. Методы и результаты / Ред. Ю.Л. Ребецкий. М.: ИФЗ РАН, 2009. С. 302–317].

36. Sherman S.I., 2013. Deformation waves as a trigger mechanism of seismic activity in seismic zones of the continental lithosphere. Geodynamics & Tectonophysics 4 (2), 83–117 (in Russian) [Шерман С.И. Деформационные волны как триггерный механизм сейсмической активности в сейсмических зонах континентальной литосферы // Геодинамика и тектонофизика. 2013. Т. 4. № 2. С. 83–117]. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2013-4-2-0093.

37. Sherman S.I., 2014. Seismic Process and the Forecast of Earthquakes: Tectonophysical Conception. Academic Publishing House “Geo”, Novosibirsk, 359 p. (in Russian) [Шерман С.И. Сейсмический процесс и прогноз землетрясений: тектонофизическая концепция. Новосибирск: Академическое издательство «Гео», 2014. 359 с.].

38. Sherman S.I., 2015a. Genetic sources and tectonophysical regularities of divisibility of the lithosphere into blocks of various ranks at different stages of its formation: tectonophysical analysis. Geodynamics & Tectonophysics 6 (3), 387–408. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2015-6-3-0187.

39. Sherman S.I., 2015b. Localization of recent strong earthquakes in Central Asia: a rare combination of geodynamic and trigger factors. In: V.V. Adushkin, G.G. Kocharian (Eds.), Trigger effects in geosystems. GEOS, Moscow, p. 138–149 (in Russian) [Шерман С.И. Локализация современных сильных землетрясений в Центральной Азии: редкое сочетание геодинамических и триггерных факторов // Триггерные эффекты в геосистемах / Ред. В.В. Адушкин, Г.Г. Кочарян. М.: ГЕОС, 2015. С. 138–149].

40. Sherman S.I., Bornyakov S.A., Buddo V.Yu., 1983. Areas of Dynamic Influence of Faults (Modelling Results). Nauka, Novosibirsk, 110 p. (in Russian) [Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). Новосибирск: Наука. СО АН СССР, 1983. 110 с.].

41. Sherman S.I., Gorbunova E.A., 2010. New data on the regularities of the earthquake manifestation in the Baikal seismic zone and their forecast. Doklady Earth Sciences 435 (2), 1659–1664. http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X10120238.

42. Sherman S.I., Ma Jin, Dem'yanovich V.M., Yanshuang G., 2014. New data on tectonophysical regularities of the epicentral and hypocentral earthquake fields in the rift systems of Central Asia. Doklady Earth Sciences 456 (2), 775–779. http://dx.doi.org/10.1134/S1028334X14060385.

43. Sherman S.I., Lysak S.V., Gorbunova E.A., 2012. A tectonophysical model of the Baikal seismic zone: testing and implications for medium-term earthquake prediction. Russian Geology and Geophysics 53 (4), 392–405. http://dx.doi.org/10.1016/j.rgg.2012.03.003.

44. Sherman S.I., Ma Jin, Gorbunova Е.А., 2015. Recent strong earthquakes in Central Asia: regular tectonophysical features of locations in the structure and geodynamics of the lithosphere. Part 1. Main geodynamic factors predetermining locations of strong earthquakes in the structure of the lithosphere in Central Asia. Geodynamics & Tectonophysics 6 (4), 409–436. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2015-6-4-0188.

45. Sherman S.I., Seminsky K.Zh., Cheremnykh A.V., 2005a. Fault-block tectonics of Central Asia: experience of tectonophysical analysis. In: K.G. Levi, S.I. Sherman (Eds.), Top problems of recent geodynamics of Central Asia. Publishing House of SB RAS, Novosibirsk, p. 135–165 (in Russian) [Шерман С.И., Семинский К.Ж., Черемных А.В. Разломно-блоковая тектоника Центральной Азии: опыт тектонофизического анализа // Актуальные вопросы современной геодинамики Центральной Азии / Ред. К.Г. Леви, С.И. Шерман. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. С. 135–165].

46. Sherman S.I., Sorokin A.P., Savitskii V.A., 2005b. New methods for the classification of seismoactive lithospheric faults based on the index of seismicity. Doklady Earth Sciences 401A (3), 413–416.

47. Sherman S.I., Zlogodukhova О.G., 2011. Seismic belts and zones of the Earth: formalization of notions, positions in the lithosphere, and structural control. Geodynamics & Tectonophysics 2 (1), 1–34 (in Russian) [Шерман С.И., Злогодухова О.Г. Сейсмические пояса и зоны Земли: формализация понятий, положение в литосфере и структурный контроль // Геодинамика и тектонофизика. 2011. Т. 2. № 1. С. 1–34]. http://dx.doi.org/10.5800/GT-2011-2-1-0031.

48. Sherman S.I., Zlogodukhova O.G., 2013. Map II-7. “Seismic belts and zones of the Earth”. In: Atlas of seismotectonics in Central Asia. Beijing, p. 51.

49. Sobolev G.A., 1993. Fundamentals of Earthquake Prediction. Nauka, Moscow, 313 p. (in Russian) [Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.].

50. Sobolev G.A., 2011. The Earthquake Predictability Concept Based on Dynamics of Seismicity in Case of Trigger Effect. IPE RAS, Moscow, 56 p. (in Russian) [Соболев Г.А. Концепция предсказуемости землетрясений на основе динамики сейсмичности при триггерном воздействии. М.: ИФЗ РАН, 2011. 56 с.].

51. Sobolev G.A., Ponomarev A.V., 2003. The Physics of Earthquakes and Precursors. Nauka, Moscow, 270 p. (in Russian) [Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.].

52. Sobolev G.A., Shpettsler Kh., Kol’tsov A.V., 1991. Some properties of unstable slip along uneven fracture. In: G.A. Sobolev (Ed.), Physics of rocks at high pressure. Nauka, Moscow, p. 97–108 (in Russian) [Соболев Г.А., Шпетцлер Х., Кольцов А.В. Некоторые свойства неустойчивого скольжения по неровному разрыву // Физика горных пород при высоких давлениях / Ред. Г.А. Соболев. М.: Наука, 1991. С. 97–108].

53. Stirling M.W., Wesnousky S.G., Shimazaki K., 1996. Fault trace complexity, cumulative slip, and the shape of the magnitude-frequency distribution for strike-slip faults: a global survey. Geophysical Journal International 124 (3), 833–868. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-246X.1996.tb05641.x.

54. Tapponier P., Molnar P., 1979. Active faulting and Cenozoic tectonics of the Tien Shan, Mongolia and Baikal region. Journal of Geophysical Research 84 (B7), 3425–3459. http://dx.doi.org/10.1029/JB084iB07p03425.

55. Ulomov V.I., Shumilina L.S., 1999. Set of General Seismic Zoning Maps of the Russian Federation – OSR-97. Scale 1:8000000. Explanatory Note and a List of Cities and Towns Located in Regions of Seismic Hazard. UIPE, Moscow, 57 p. (in Russian) [Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации – ОСР-97. Масштаб 1:8000000. Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах. М.: ОИФЗ, 1999. 57 с.].

56. Vostrikov G.A., 1994. Relationship between parameters of the recurrence curve, seismic flow and earthquake source. Proceedings of GIN RAS. Issue 482. GIN RAS, Moscow, 292 p. (in Russian) [Востриков Г.А. Связь параметров графика повторяемости, сейсмического течения и очага землетрясения. Труды ГИН РАН. Вып. 482. М.: ГИН РАН, 1994. 292 с.].

57. Wells D.G., Coppersmith K.J., 1994. New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. Bulletin of the Seismological Society of America 84 (4), 974–1002.

58. Wesnousky S.G., Scholz C.H., Shimazaki K., Matsuda T., 1984. Integration of geological and seismological data for the analysis of seismic hazard: A case study of Japan. Bulletin of the Seismological Society of America 74 (2), 687–708.

59. Zavyalov A.D., 2006. Medium-Term Forecasting of Earthquakes: Fundamentals, Methods, Implementation. Nauka, Moscow, 254 p. (in Russian) [Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация. М.: Наука, 2006. 254 с.].