Реология среды в межблоковых сейсмоактивных разломах континентальной литосферы – ключ к генерации сильнейших землетрясений в Центральной Азии

Проблема прогноза землетрясений остается по-прежнему актуальной. Особый интерес вызывают сильные сейсмические события с магнитудой М≥8. Землетрясения такой силы рассматриваются как результат крупноамплитудных смещений контактирующих блоков вдоль плоскости разрыва. При этом физические параметры генерации очагов землетрясений оцениваются на основе представлений о разрушении твердых тел. В статье предлагается новая тектонофизическая модель очагов сильных землетрясений в континентальной литосфере. В предлагаемой модели очаг землетрясения рассматривается как тело, реологические свойства которого меняются с течением времени с момента его зарождения до реализации и последующей релаксации среды. Предполагается, что в процессе развития и роста очага будущего сейсмического события существенно меняются физические свойства вмещающих горных пород – уменьшается вязкость и относительная сдвиговая прочность. При этом непосредственно в момент сильного землетрясения вязкость среды в его очаге принимает минимальные значения, благоприятные для возникновения высокоамплитудной межблоковой подвижки в условиях существующего регионального напряжения и неменяющихся геодинамических факторов. Снижению вязкости способствует увеличение длины разрыва, что приводит к ослаблению среды и уменьшению ее прочностных свойств. Предполагается, что вязкость горных пород в очаге в момент землетрясения должна быть существенно ниже динамической вязкости литосферы и не менее чем на один-два порядка ниже вязкости межблоковой сейсмоактивной среды, вмещающей очаг. Наиболее вероятно, что вязкость среды в очаге сейсмического события в момент его реализации составляет 10¹⁷–10¹⁹ Па·с. Такой подход, при котором в физику очага землетрясения вводится параметр вязкости, а в процесс его формирования и реализации – фактор времени, может оказаться существенным шагом, приближающим к возможности прогноза сильнейших сейсмических событий с магнитудой М≥8.

1. Aki K., 1966. Estimation of earthquake moment released energy and stress-strain drop from G-wave spectrum. Bulletin of the Earthquake Research Institute, University of Tokyo 44 (1), 23–72.

2. Benioff H., 1964. Earthquake source mechanisms. Science 143 (3613), 1399–1406. https://doi.org/10.1126/science.143.3613.1399.

3. Chang W.L., Smith R.B., Puskas C.M., 2013. Effects of lithospheric viscoelastic relaxation on the contemporary deformation following the 1959 Mw 7.3 Hebgen Lake, Montana, earthquake and other areas of the intermountain seismic belt. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 14 (1), 1–17. https://doi.org/10.1029/2012GC004424.

4. Давтян А.М., Григорян Т.А. Об одном способе расчета эффективной вязкости горных пород очаговой области землетрясений // Известия Национальной академии наук Республики Армения, Науки о Земле. 2010. Т. 63. № 2. С. 70–75.

5. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: Наука, 1991. 218 с..

6. Добровольский И.П. Математическая теория подготовки и прогноза тектонического землетрясения. М.: Физматлит, 2009. 240 с..

7. Гоби-Алтайское землетрясение / Ред. Н.А. Флоренсов, В.П. Солоненко. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 424 с..

8. Jiang M., Zhou S., Chen Y.J., Ai Y., 2011. A new multidimensional stress release statistical model based on coseismic stress transfer. Geophysical Journal International 187 (3), 1479–1494. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2011.05208.x.

9. Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС, 2016. 424 с.

10. Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б., Новиков В.А., Остапчук А.А. Медленные перемещения по разломам: параметры, условия возникновения, перспективы исследований // Geodynamics & Tectonophysics. 2014. Т. 5. № 4. С. 863–891. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-4-0160.

11. Кочарян Г.Г., Кишкина С.Б., Остапчук А.А. Сейсмический портрет разломной зоны. Что может дать анализ тонкой структуры пространственного расположения очагов слабых землетрясений? // Геодинамика и тектонофизика. 2010. Т. 1. № 4. C. 419–440. https://doi.org/10.5800/GT-2010-1-4-0027.

12. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975. 176 с.

13. Козачок А.А. Математические недоразумения при построении замкнутых классических уравнений динамики вязкой несжимаемой жидкости (уравнений Навье-Стокса). Киев, Украина, 2006. Available from: http://a-kozachok1.narod.ru/stokes1S.pdf.

14. Кучай В.К., Певнев А.К., Гусева Т.В. О характере современных тектонических движений в зоне Вахшского надвига // Доклады АН СССР. 1978. Т. 240. № 3. С. 56–72.

15. Kuzmin Y.O., 2013. Recent geodynamics of the faults and paradoxes of the rates of deformation. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 49 (5), 626–642. https://doi.org/10.1134/S1069351313050029.

16. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломных зон: разломообразование в реальном масштабе времени // Geodynamics & Tectonophysics. 2014. Т. 5. № 2. С. 401–443. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0135.

17. Kuzmin Y.O., 2017. Paradoxes of the comparative analysis of ground-based and satellite geodetic measurements in recent geodynamics. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 53 (6), 825–839. https://doi.org/10.1134/S1069351317060027.

18. Lorenzo-Martín F., Roth F., Wang R., 2006. Inversion for rheological parameters from post-seismic surface deformation associated with the 1960 Valdivia earthquake, Chile. Geophysical Journal International 164 (1), 75–87. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2005.02803.x.

19. Лукьянов А.В. Пластические деформации и тектоническое течение в литосфере. М.: Наука, 1991. 144 с.

20. Lu-Ping Z., Rodriguez-Llanes J.M., Qi W., van den Oever B., Westman L., Albela M., Liang P., Gao C., De-Sheng Z., Hughes M., von Schreeb J., Guha-Sapir D., 2012. Multiple injuries after earthquakes: a retrospective analysis on 1,871 injured patients from the 2008 Wenchuan earthquake. Critical Care 16 (3), R87. https://doi.org/10.1186/cc11349.

21. Ma J., Guo Y., Sherman S.I., 2014. Accelerated synergism along a fault: a possible indicator for an impending major earthquake. Geodynamics & Tectonophysics 5 (2), 387–399. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0134.

22. Ma J., Sherman S.I., Guo Y., 2012. Edification of meta-instable stress state based on experimental study of evolution of the temperature field during stick-slip instability on 5° bending fault. Science China Earth Sciences 55 (6), 869–881. https://doi.org/10.1007/s11430-012-4423-2.

23. Mogi K., 1965. Deformation and fracture of rocks under confining pressure (2). Elasticity and plasticity of some rocks. Bulletin of the Earthquake Research Institute, University of Tokyo 43, 349–379.

24. Mogi K., 1966. Pressure dependence of rock strength and transition from brittle fracture to ductile flow. Bulletin of the Earthquake Research Institute, University of Tokyo 44, 215–232.

25. Montési L.G., 2004. Controls of shear zone rheology and tectonic loading on postseismic creep. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 109 (B10), B10404. https://doi.org/10.1029/2003JB002925.

26. Николаевский В.Н., Собисевич Л.Е. Природа бифокального очага землетрясения и предвестники удара // Геофизический журнал. 2015. Т. 37. № 4. С. 51–74. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v37i4.2015.111125.

27. Ozawa S., Nishimura T., Munekane H., Suito H., Kobayashi T., Tobita M., Imakiire T., 2012. Preceding, coseismic, and postseismic slips of the 2011 Tohoku earthquake, Japan. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 117 (B7), B07404. https://doi.org/10.1029/2011JB009120.

28. Панин В.Е. Современные проблемы физики пластичности и прочности твердых тел // Структурные уровни пластической деформации и разрушения / Ред. В.Е Панин. Новосибирск: Наука, 1990. С. 5–20.

29. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. 1998. Т. 1. № 1. С. 5–22.

30. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 3. № 6. С. 5–36.

31. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985. 229 с.

32. Пейве А.В. Избранные труды. Глубинные разломы и их роль в строении и развитии земной коры. М.: Наука, 1990. 352 с.

33. Qi C., Haoxiang C., Bai J., Qi J., Li K., 2017. Viscosity of rock mass at different structural levels. Acta Geotechnica 12 (2), 305–320. https://doi.org/10.1007/s11440-016-0449-5.

34. Reid H.F., 1910. The Mechanics of the Earthquake. California Earthquake of April 18, 1906. Report of the State Earthquake Investigation Commission. Vol. 2, part 1. Carnegie Institute of Washington, Washington, 56 p.

35. Ризниченко Ю.В. Связь течения горных масс с сейсмичностью // Доклады АН СССР. 1965. Т. 161. № 1. С. 97–99.

36. Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. Избранные труды. М: Наука, 1985. 408 с.

37. Рогожин Е.А. Тектоника очаговых зон сильных землетрясений Северной Евразии конца ХХ столетия // Российский журнал наук о Земле. 2000. Т. 2. № 1. С. 37–62

38. Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. 144 с.

39. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойствах дискретности горных пород // Физика Земли. 1982. № 12. С. 3–18.

40. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 100 с..

41. Семинский К.Ж. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Тектонофизический аспект. Новосибирск: Издательство СО РАН, филиал «Гео», 2003. 242 с.

42. Shao Z., Zhan W., Zhang L., Xu J., 2016. Analysis of the far-field co-seismic and post-seismic responses caused by the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki earthquake. Pure and Applied Geophysics 173 (2), 411–424. https://doi.org/10.1007/s00024-015-1131-9.

43. Шерман С.И. Сейсмический процесс и прогноз землетрясений: тектонофизическая концепция. Новосибирск: Академическое издательство «Гео», 2014. 359 с.

44. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). Новосибирск: Наука. СО АН СССР, 1983. 110 с.

45. Sherman S.I., Ma J., 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. https://doi.org/10.5800/GT-2015-6-4-0188.

46. 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. https://doi.org/10.5800/GT-2011-2-1-0031.

47. Славина Л.Б., Пивоварова Н.Б. Динамика поля скоростей сейсмических волн в периоды сейсмической и вулканической активности на Камчатке. М.: ИФЗ РАН, 2009. 80 с.

48. Соболев Г.А. Динамика разрывообразования и сейсмичность // Тектонофизика сегодня / Ред. В.Н. Страхов, Ю.Г. Леонов. М.: ОИФЗ РАН, 2002. С. 67–78.

49. Sobolev G.A., Ponomarev A.V., Maibuk Y.Y., 2016. Initiation of unstable slips–microearthquakes by elastic impulses. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 52 (5), 674–691. https://doi.org/10.1134/S106935131605013X.

50. Thatcher W., 1983. Nonlinear strain buildup and the earthquake cycle on the San Andreas fault. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 88 (B7), 5893–5902. https://doi.org/10.1029/JB088iB07p05893.

51. Уломов В.И. Волны сейсмогеодинамической активизации и долгосрочный прогноз землетрясений // Физика Земли. 1993. № 4. C. 43–53.

52. Уломов В.И. Сейсмогеодинамика и сейсмическое районирование Северной Евразии // Вестник ОГГГГН РАН. 1999. № 1. С. 2–26.

53. Žalohar J., 2016. The Omega-Theory. A New Physics of Earthquakes. Third Edition. T-TECTO, Kranj, Slovenia, 567 p.

54. Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация. М.: Наука, 2006. 254 с.

55. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А. Физика макролокализации пластического течения. Новосибирск: Наука, 2008. 327 с.