Закономерности разрывообразования в земной коре и тектонофизические признаки метастабильности разломов

Обсуждается проблема прогноза сейсмической опасности. Дается детальный обзор данных о напряженном состоянии, характеризующем различные аспекты хрупкого разрушения. Показано, что наиболее удобным инструментом такого анализа является диаграмма Мора и данные о кулоновых напряжениях. Отмечается роль флюида, не только понижающего уровень нормальных напряжений, ответственных за хрупкое разрушение, но и определяющего важнейшие процессы в разломных зонах. Выделяется ядерная часть – тело разлома, в которой происходят основные структурно-вещественные преобразования и формируются узкие, протяженные по площади модификации милонитовых пород от протомилонитов до ультрамилонитов и бластомилонитов, с которыми связана локализация непрерывных и разрывных сдвиговых деформаций. Метаморфические процессы в разломных зонах обеспечивают их низкую прочность в сравнении с окружающими консолидированными блоками коры. Теоретический анализ механизма реализации смещений вдоль разрывов сплошности разного масштабного ранга показывает их различие. Тектонические или сейсмические смещения вдоль трещины захватывают сразу всю ее площадь, в то время как для разлома они реализуются поэтапно вдоль его протяженности, напоминая «ковровый принцип» или «бегущую полоску», который также свойствен внутрикристаллическим дислокациям. Напряженное состояние в окрестности трещин и разлома имеет разные характерные особенности. Сейсмологические и тектонофизические данные о параметрах очагов землетрясений и разрывов сплошности в геологических объектах позволяют выделить 2–3 диапазона с различными законами, определяющими их взаимные соотношения. Данный вывод фактически противоречит гипотезе о самоподобии разрывов сплошности в непрерывном их диапазоне – от дислокации до разлома в десятки километров и накладывает ограничение на применение статистического анализа сейсмических данных. Сейсмические данные показывают, что смещение в очаге крупного землетрясения также развивается в виде бегущей полоски, а в очаге слабого землетрясения одномоментно охватывает всю его площадь. Различия в типе реализуемого сдвига в очаге слабого и сильного землетрясений связаны с соотношениями между тремя характерными динамическими параметрами среды: скоростью распространения сейсмических волн, скоростью распространения разрыва и скоростью смещения бортов разрыва. Тектонофизические реконструкции напряженного состояния в сейсмоактивных областях различных регионов планеты и в очагах подготовки мега-землетрясений XXI в. позволили получить усредненные значения прочности массивов и величин напряжений, а также выявили ряд характерных особенностей поля напряжений. Установлено, что наиболее сильные региональные землетрясения «избегают» областей повышенного уровня эффективного всестороннего давления. Размер очагов мега-землетрясений контролируется областью пониженного уровня эффективного давления, а участок, откуда инициировано землетрясение, часто располагается в зоне самого высокого градиента напряжений, существовавшего на краю очага или повышенного уровня напряжений внутри него.. Выявленные закономерности позволили дать термину «метастабильность состояния разломов», пришедшему в сейсмологию из физики фазовых состояний, обоснование в виде специфической закономерности распределения величин напряжений перед мега-землетрясениями. 

1. Benioff H., 1951. Earthquakes and rock creep:(Part I: Creep characteristics of rocks and the origin of aftershocks). Bulletin of the Seismological Society of America 41 (1), 31–62.

2. Beroza G.C., Mikumo T., 1996. Short slip duration in dynamic rupture in the presence of heterogeneous fault properties. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 101 (B10), 22449–22460. https://doi.org/10.1029/96JB02291.

3. Bullen K.E., 1953. On strain energy and strength in the Earth's upper mantle. Eos, Transactions American Geophysical Union 34 (1), 107–109. https://doi.org/10.1029/TR034i001p00107.

4. Chemenda A.I., Mas D., 2016. Dependence of rock properties on the Lode angle: Experimental data, constitutive model, and bifurcation analysis. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 96, 477–496. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2016.08.004.

5. Chester F.M., Rowe C., Ujiie K., Kirkpatrick J., Regalla C., Remitti F., Moore J.C., Toy V., Wolfson-Schwehr M., Bose S., Kame-da J., Mori J.J., Brodsky E.E., Eguchi N., Toczko S., Expedition 343 and 343T Scientists, 2013. Structure and composition of the plate-boundary slip zone for the 2011 Tohoku-Oki earthquake. Science 342 (6163), 1208–1211. https://doi.org/10.1126/science.1243719.

6. Чиков Б.М. Об основах теоретической концепции стресс-метаморфизма (применительно к линеаментным зонам земной коры) // Структура линеаментных зон стресс-метаморфизма / Ред. В.А. Соловьев, Б.М. Чиков. Новосибирск: Наука. СО, 1990. С. 6–32.

7. Чиков Б.М. Сдвиговое стресс – структурообразование в литосфере: разновидности механизмы, условия (обзор проблемы) // Геология и геофизика. 1992. Т. 33. № 9. С. 3–37.

8. Chikov B.M., 2011. Introduction to Physical Fundamentals of Static and Dynamic Geotectonics. Geo, Novosibirsk, 299 p. (in Russian) [Чиков Б.М. Введение в физические основы статической и динамической геотектоники. Новосибирск: Гео, 2011. 299 с..

9. Чиков Б.М., Каргаполов С.А., Ушаков Г.Д. Экспериментальное стресс-преобразование пироксенита // Геология и геофизика. 1989. Т. 30. № 6. С. 75–79.

10. Das S., Aki K., 1977. Fault plane with barriers: a versatile earthquake model. Journal of Geophysical Research 82 (36), 5658–5670. https://doi.org/10.1029/JB082i036p05658.

11. Das S., Kostrov B.V., 1988. An investigation of the complexity of the earthquake source time function using dynamic faulting models. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 93 (B7), 8035–8050. https://doi.org/10.1029/JB093iB07p08035.

12. Day S.M., Gonzalez S.H., Anooshehpoor R., Brune J.N., 2008. Scale-model and numerical simulations of near-fault seismic directivity. Bulletin of the Seismological Society of America 98 (3), 1186–1206. https://doi.org/10.1785/0120070190.

13. Ениколопян Н.С., Мхитрян А.А., Карагезян А.С., Хзарджян А.А. Критические явления при взрыве твердых веществ при высоком давлении // Доклады АН СССР. 1987. Т. 292. № 4. С. 887–890.

14. Федотов С.А., Соломатин А.В., Чернышев С.Д. Долгосрочный сейсмический прогноз для Курило-Камчатской дуги 2004–2008 гг. и ретроспективный прогноз Хоккайдского землетрясения 25 сентября 2003 г., М=8.1 // Вулканология и сейсмология. 2004. №. 5. С. 3–22.

15. Goldin S.V., 2004. Dilatancy, repacking, and earthquakes. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 40 (10), 817–832.

16. Гольдин С.В. Макро- и мезоструктуры очаговой области землетрясения // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8. № 1. С. 5–14.

17. Гусев А.А. Модель очага землетрясения со множеством неровностей // Вулканология и сейсмология. 1988. № 1. С. 41–55.

18. Gusev A.A., 1989. Multiasperity fault model and the nature of short-period subsources. Pure and Applied Geophysics 130 (4), 635–660. https://doi.org/10.1007/BF00881602.

19. Гусев А.А. Стохастическое моделирование протяженного очага землетрясения для характеризации сейсмической опасности. 1. Обоснование и общая структура алгоритма // Вопросы инженерной сейсмологии. 2013. Т. 40. № 1. C. 5–18.

20. Gusev A.A., Guseva E.M., 2014. Scaling properties of corner frequencies of Kamchatka earthquakes. Doklady Earth Sciences 458 (1), 1112–1115. https://doi.org/10.1134/S1028334X14090062.

21. Gusev A.A., Guseva E.M., 2016. Shear wave attenuation estimated from the spectral decay rate in the vicinity of the Petropavlovsk station, Kamchatka. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 52 (4), 503–519. https://doi.org/10.1134/S1069351316030034.

22. Гзовский М.В. Тектонические поля напряжений // Известия АН СССР, серия геофизическая. 1954. № 5. С. 390–410.

23. Гзовский М.В. Тектонофизическое обоснование геологических критериев сейсмичности (I) // Известия АН СССР, серия геофизическая. 1957. № 2. С. 141–160.

24. Гзовский М.В. Тектонофизическое обоснование геологических критериев сейсмичности (II) // Известия АН СССР, серия геофизическая. 1957. № 3. С. 273–283.

25. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 536 с.

26. Haskell N.A., 1964. Total energy and energy spectral density of elastic wave radiation from propagating faults. Bulletin of the Seismological Society of America 54 (6A), 1811–1841.

27. Haskell N.A., 1966. Total energy and energy spectral density of elastic wave radiation from propagating faults. Part II. A statistical source model. Bulletin of the Seismological Society of America 56 (1), 125–140.

28. Heaton T.H., 1990. Evidence for and implications of self-healing pulses of slip in earthquake rupture. Physics of the Earth and Planetary Interiors 64 (1), 1–20. https://doi.org/10.1016/0031-9201(90)90002-F.

29. Ide S., Takeo M., 1997. Determination of constitutive relations of fault slip based on seismic wave analysis. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 102 (B12), 27379–27391. https://doi.org/10.1029/97JB02675.

30. Irikura K., Kamae K., 1994. Estimation of strong ground motion in broad-frequency band based on a seismic source scaling model and an empirical Green's function technique. Annali di Geofisica 37 (6), 1721–1743. https://doi.org/10.4401/ag-4137.

31. Kanamori H., 1978. Use of seismic radiation to infer source parameters. In: Proceedings of conference III: Fault mechanics and its relation to earthquake prediction. USGS Open File Report 78-380, p. 283–318.

32. Kanamori H., Brodsky E.E., 2004. The physics of earthquakes. Reports on Progress in Physics 67 (8), 1429–1496. https://doi.org/10.1088/0034-4885/67/8/R03.

33. Кочарян Г.Г. Масштабный эффект в сейсмотектонике // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 2. С. 353–385. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0133.

34. Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. М.: ГЕОС, 2017. 424 с..

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

36. Латынина Л.А. О неустойчивом состоянии геологической среды в зоне сильнейших землетрясений // Геодезія, картографія і аерофотознімання. 2009. Вып. 71. С. 238–241.

37. Lin A., Maruyama T., Kobayashi K., 2007. Tectonic implications of damage zone-related fault-fracture networks revealed in drill core through the Nojima fault, Japan. Tectonophysics 443 (3–4), 161–173. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2007.01.011.

38. Lockner D.A., Tanaka H., Ito H., Ikeda R., Omura K., Naka H., 2009. Geometry of the Nojima Fault at Nojima-Hirabayashi, Japan – I. A simple damage structure inferred from borehole core permeability. Pure and Applied Geophysics 166 (10–11), 1649–1667. https://doi.org/10.1007/s00024-009-0515-0.

39. Mjachkin V.I., Brace W.F., Sobolev G.A., Dieterich J.H., 1975. Two models for earthquake forerunners. Pure and Applied Geophysics 113 (1), 169–181. https://doi.org/10.1007/BF01592908.

40. Nettles M., Ekström G., 2004. Long-period source characteristics of the 1975 Kalapana, Hawaii, earthquake. Bulletin of the Seismological Society of America 94 (2), 422–429. https://doi.org/10.1785/0120030090.

41. Николаевский В.Н., Шаров В.И. Разломы и реологическая расслоенность земной коры // Известия АН СССР, серия Физика Земли. 1985. № 1. С. 16–28.

42. Papageorgiou A.S., Aki K., 1983. A specific barrier model for the quantitative description of inhomogeneous faulting and the prediction of strong ground motion. I. Description of the model. Bulletin of the Seismological Society of America 73 (3), 693–722.

43. Паталаха Е.И., Лукиенко А.И., Дербенев В.А. Тектонофации мезозоны. Алма-Ата: Наука, 1987. 181 с..

44. Peng Z., Gomberg J., 2010. An integrated perspective of the continuum between earthquakes and slow-slip phenomena. Nature Geoscience 3 (9), 599–607. https://doi.org/10.1038/ngeo940.

45. Поспелов Г.С. Диспергиты и автодиспергация как важная проблема физики лито-петро-тектогенеза // Геология и геофизика. 1972. Т. 13. № 12. С. 5373.

46. Rebetskii Y.L., 1997. Reconstruction of tectonic stresses and seismotectonic strain: Methodical fundamentals, current stress field of Southeastern Asia and Oceania. Transactions (Doklady) of the Russian Academy of Sciences / Earth Science Sections 354 (4), 560–563.

47. Rebetskii Y.L., 2005. Tectonic stress, metamorphism, and earthquake source model. Doklady Earth Sciences 400 (1), 127–131.

48. Rebetsky Y.L., 1996. I. Stress-monitoring: Issues of reconstruction methods of tectonic stresses and seismotectonic deformations. Journal of Earthquake Prediction Research 5 (4), 557–573.

49. Ребецкий Ю.Л. Флюиды, дилатансия и прочность горных пород // Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле: Тезисы докладов четвертой международной конференции. М.: ОИФЗ РАН, 2003. С. 46.

50. Ребецкий Ю.Л. Напряженно-деформированное состояние и механические свойства природных массивов по данным о механизмах очагов землетрясений и структурно-кинематическим характеристикам трещин: Дис. … докт. физ.-мат. наук. М.: ОИФЗ РАН, 2003b. 455 с..

51. Ребецкий Ю.Л. От анализа тектонических напряжений к модели очага землетрясений // Сейсмические исследования земной коры: Сборник докладов международной научной конференции (23–25 ноября 2004 г., г. Новосибирск). Новосибирск, 2004. С. 460–465.

52. Ребецкий Ю.Л. Неоднородность напряженного состояния разломных зон – основной фактор возникновения землетрясений // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли: Материалы международной конференции (12–16 сентября 2005 г., г. Новосибирск). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. С. 340–343.

53. Ребецкий Ю.Л. Роль флюида и диспергации горных пород в формировании области подготовки землетрясения // Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии: Материалы Всероссийского совещания (20–23 сентября 2005 г., г. Иркутск). Иркутск: ИЗК СО РАН, 2005. С. 145–148.

54. Ребецкий Ю.Л. Дилатансия, поровое давление флюида и новые данные о прочности горных массивов в естественном залегании // Флюид и геодинамика / Ред. Ю.Г. Леонов, И.Г. Киссин, В.Л. Русинов. М.: Наука, 2006. С. 120–146.

55. Ребецкий Ю.Л. Взаимоотношение хрупкого разрушения и квазипластического деформирования горных пород и новая модель подготовки землетрясения // Области активного тектогенеза в современной и древней истории Земли: Материалы XXXVX тектонического совещания. Т. II. М.: ГЕОС, 2006. С. 129–133.

56. Ребецкий Ю.Л. Новые данные о природных напряжениях в области подготовки сильного землетрясения. Модель очага землетрясения // Геофизический журнал. 2007. Т. 29. № 6. С. 92–110.

57. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и области триггерного механизма возникновения землетрясений // Физическая мезомеханика. 2007. Т. 10. № 1. С. 25–37.

58. Ребецкий Ю.Л. Состояние и проблемы теории прогноза землетрясений. Анализ основ с позиции детерминированного подхода // Геофизический журнал. 2007. Т. 29. № 4. С. 92–110.

59. Rebetsky Y.L., 2009. Stress state of the Earth’s crust of the Kuril Islands and Kamchatka before the Simushir earthquake. Russian Journal of Pacific Geology 3 (5), 477–490. https://doi.org/10.1134/S1819714009050108.

60. Ребецкий Ю.Л. Оценка сейсмической опасности на основе тектонофизического анализа сейсмологических данных // Проблемы сейсмотектоники: XVII Всероссийская конференция с международным участием (20–24 сентября 2011 г.). Воронеж–Москва, 2011. С. 443–451.

61. Ребецкий Ю.Л. Об особенности напряженного состояния коры внутриконтинентальных орогенов // Геодинамика и тектонофизика. 2015. Т. 6. № 4. С. 437–466. https://doi.org/10.5800/GT-2015-6-4-0189.

62. Rebetsky Y.L., Kuchai O.A., Marinin A.V., 2013. Stress state and deformation of the Earth's crust in the Altai-Sayan mountain region. Russian Geology and Geophysics 54 (2), 206–222. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2013.01.011.

63. Rebetsky Y.L., Kuchai O.A., Sycheva N.A., Tatevossian R.E., 2012. Development of inversion methods on fault slip data: Stress state in orogenes of the Central Asia. Tectonophysics 581, 114–131. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2012.09.027.

64. Rebetsky Y.L., Kuzikov S.I., 2016. Active faults of the northern Tien Shan: tectonophysical zoning of seismic risk. Russian Geology and Geophysics 57 (6), 967–983. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.05.004.

65. Ребецкий Ю.Л., Лермонтова А.С. О масштабируемости трещин сдвига в геологической среде // Триггерные эффекты в геосистемах: Материалы третьего Всероссийского семинара-совещания (16–19 июня 2015 г., г. Москва). М.: ГЕОС, 2015. С. 174–181.

66. Rebetsky Y.L., Marinin A.V., 2006. Preseismic stress field before the Sumatra-Andaman earthquake of 26.12. 2004: a model of metastable state of rocks. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 47 (11), 1173–1185.

67. Ребецкий Ю.Л., Полец А.Ю. Напряженное состояние литосферы Японии перед катастрофическим землетрясением Тохоку 11.03.2011 // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 2. С. 469–506. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0137.

68. Rebetsky Y.L., Polets A.Y., Zlobin T.K., 2016. The state of stress in the Earth's crust along the northwestern flank of the Pacific seismic focal zone before the Tohoku earthquake of 11 March 2011. Tectonophysics 685, 60–76. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2016.07.016.

69. Rebetsky Y.L., Tatevossian R.E., 2013. Rupture propagation in strong earthquake sources and tectonic stress field. Bulletin de la Société Géologique de France 184 (4–5), 335–346. https://doi.org/10.2113/gssgfbull.184.4-5.335.

70. Rebinder P.A., 1978. Surface Phenomena in Disperse Systems. Nauka, Moscow, 250 p. (in Russian) [Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1978. 250 с..

71. Reid H.F., 1910. The Mechanism of the Earthquake. The California Earthquake of April 18, 1906. Report of the State Earthquake Investigation Commission, vol. 2. part 1. Washington, 56 p.

72. Rice J., 1982. The mechanics of earthquake rupture. In: A. Dziewonski, E. Boschi (Eds.), Physics of the Earth's Interior. Elsevier, Amsterdam, p. 555–649.

73. Richter C.F., 1958. Elementary Seismology. W.H. Freeman and Company, San Francisco, 768 p.

74. Ружич В.В., Кочарян Г.Г. О строении и формировании очагов землетрясений в разломах на приповерхностном и глубинном уровне земной коры. Статья I. Приповерхностный уровень // Геодинамика и тектонофизика. 2017. Т. 8. № 4. С. 1021–1034. https://doi.org/10.5800/GT-2017-8-4-0330.

75. Savage J.C., Svarc J.L., Yu S.B., 2007. Postseismic relaxation and aftershocks. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 112 (B6), B06406. https://doi.org/10.1029/2006JB004584.

76. Savage J.C., Yu S.B., 2007. Postearthquake relaxation and aftershock accumulation linearly related after the 2003 M 6.5 Chengkung, Taiwan, and the 2004 M 6.0 Parkfield, California, earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America 97 (5), 1632–1645. https://doi.org/10.1785/0120070069.

77. Scholz C.H., Engelder J.T., 1976. The role of asperity indentation and ploughing in rock friction – I: Asperity creep and stick-slip. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts 13 (5), 149–154. https://doi.org/10.1016/0148-9062(76)90819-6.

78. Scholz C.H., Sykes L.R., Aggarwal Y.P., 1973. Earthquake prediction: A physical basis. Science 181 (4102), 803–810. https://doi.org/10.1126/science.181.4102.803.

79. Sekine S., Hirose H., Obara K., 2010. Along‐strike variations in short‐term slow slip events in the southwest Japan subduction zone. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 115 (B9), B00A27. https://doi.org/10.1029/2008JB006059.

80. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука, 1977. 102 с..

81. 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. https://doi.org/10.5800/GT-2013-4-2-0093.

82. Шерман С.И. Тектонофизические признаки формирования очагов сильных землетрясений в сейсмических зонах Центральной Азии // Геодинамика и тектонофизика. 2016. Т. 7. № 4. С. 495–512. https://doi.org/10.5800/GT-2016-7-4-0219.

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

84. Sobolev G.A., Lyubushin A.A., 2007. Microseismic anomalies before the Sumatra earthquake of December 26, 2004. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 43 (5), 341–353. https://doi.org/10.1134/S1069351307050011.

85. Шикотанское землетрясение и цунами 4(5) октября 1994 года / Ред. И.Н. Тихонов, Г.В. Шевченко. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2014. 128 с..

86. Уломов В.И. О методологии оценки сейсмической опасности и создания карт общего сейсмического районирования территории стран-участниц СНГ // Прогноз землетрясений и глубинная геодинамика: Доклады международного симпозиума (17–21 ноября 1997 г., г. Алматы). Алматы: Институт сейсмологии АН Республики Казахстан, 1997. С. 348–359.

87. van der Pluijm B.A., 1991. Marble mylonites in the Bancroft shear zone, Ontario, Canada: microstructures and deformation mechanisms. Journal of Structural Geology 13 (10), 1125–1135. https://doi.org/10.1016/0191-8141(91)90073-R.

88. Wei M., Kaneko Y., Liu Y., McGuire J.J., 2013. Episodic fault creep events in California controlled by shallow frictional heterogeneity. Nature Geoscience 6 (7), 566–570. https://doi.org/10.1038/ngeo1835.

89. Zeng Y., Anderson J.G., Yu G., 1994. A composite source model for computing realistic synthetic strong ground motions. Geophysical Research Letters 21 (8), 725–728. https://doi.org/10.1029/94GL00367.