Экспериментальное исследование периодической активизации разлома в сейсмической зоне

С целью поиска механизма, управляющего подготовкой и последующей полной сейсмической активизацией крупных разломов как источников сильных землетрясений, выполнено физическое моделирование деформационной динамики крупного разлома в упруговязкопластичной и упругой моделях литосферы. Моделируемый процесс фотографировался цифровой камерой с последующей компьютерной обработкой методом корреляции цифровых изображений (digital image correlation, DIC). Результаты обработки показали, что в моменты импульсной активизации происходит реализация смещений по всему разрыву или на его большей части. Между такими активизациями разрыв имеет сегментную структуру с направленной эволюцией активных сегментов – от нескольких крупных сегментов к многочисленным мелким с постепенным вырождением последних. Долговременная деформационная динамика разрыва представлена закономерной последовательностью его полных активизаций. Установлено, что моментам таких активизаций в большинстве случаев соответствуют минимальные значения угла наклона графика повторяемости (β) и максимальные значения информационной энтропии (S_i). Детальный анализ динамики деформаций на разрыве и в его крыльях между двумя полными активизациями показал, что они происходят закономерно в рамках регрессивной и прогрессивной фаз деформационного процесса с проявлением двух одноименных сценариев эволюции активных сегментов и пластических микросдвигов в их пределах. Установлено, что деформационная активность сегментов и пластических микросдвигов на отдельных временных интервалах существенно отличается. Из этого следует, что при статистических прогнозных оценках зоны крупных сейсмоопасных разломов следует пространственно подразделять на центральную узкую подзону с магистральной плоскостью сместителя и две обрамляющие ее внешние широкие подзоны в его крыльях. С учетом результатов физического моделирования ширина центральной подзоны может составлять до10 км, а суммарная ширина всех подзон – до100 км и более. В целом, результаты экспериментов способствуют развитию представлений о геодинамике крупных разломов в сейсмических зонах литосферы и показывают один из возможных механизмов подготовки в них сильных землетрясений.

1. Aki K., 1965. Maximum likelihood estimate of b in the formula logN=a–bM and its confidence limits. Bulletin of the Earthquake Research Institute, Tokyo University 43, 237–239.

2. Amitrano D., 2003. Brittle‐ductile transition and associated seismicity: Experimental and numerical studies and relationship with the b value. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 108 (B1), 2044. https://doi.org/10.1029/2001JB000680.

3. 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.

4. Berg E., 1968. Relation between earthquake foreshocks, stress and mainshocks. Nature 219 (5159), 1141–1143. https://doi.org/10.1038/2191141a0.

5. Борняков С.А. Количественный анализ параметров разномасштабных сдвигов // Геология и геофизика. 1990. Т. 31. № 10. С. 34–42.

6. Bornyakov S.A., Panteleev I.A., Tarasova A.A., 2016a. Dynamics of intrafault deformation waves: results of physical simulation. Doklady Earth Sciences 47(2), 1316–1318. http://link.springer.com/journal/11471/471/2/page/1 (2), 1316–1318. https://doi.org/10.1134/S1028334X16120175.

7. Борняков С.А., Пантелеев И.А., Тарасова А.А. Дискретно-волновая динамика деформаций в сдвиговой зоне: результаты физического моделирования // Геодинамика и тектонофизика. 2016. Т. 7. № 2. С. 289–302. https://doi.org/10.5800/GT-2016-7-2-0207.

8. Борняков С.А., Семинский К.Ж., Буддо В.Ю., Мирошниченко А.И., Черемных А.В., Черемных А.С., Тарасова А.А. Основные закономерности разломообразования в литосфере (по результатам физического моделирования) // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 4. С. 823–861. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-4-0159.

9. Brace W.F., Byerlee J.D., 1966. Stick-slip as a mechanism for earthquakes. Science 153 (3739), 990–992. https://doi.org/10.1126/science.153.3739.990.

10. Choi J.H., Edwards P., Ko K., Kim Y.S., 2016. Definition and classification of fault damage zones: A review and a new methodological approach. Earth-Science Reviews 152, 70–87. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2015.11.006.

11. Goebel T.H., Kwiatek G., Becker T.W., Brodsky E.E., Dresen G., 2017. What allows seismic events to grow big?: Insights from b-value and fault roughness analysis in laboratory stick-slip experiments. Geology 45 (9), 815–818. https://doi.org/10.1130/G39147.1.

12. Golitsyn C.S., 1996. Earthquakes from the standpoint of scaling theory. Transactions (Doklady) of the Russian Academy of Sciences, Earth Science Sections 346 (1), 166–169.

13. Guđmundsson A., Mohajeri N., 2013. Relations between the scaling exponents, entropies, and energies of fracture networks. Bulletin de la Société Géologique de France 184 (4–5), 373–382. https://doi.org/10.2113/gssgfbull.184.4-5.373.

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

15. 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.

16. 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 5° bending fault. Science China Earth Sciences 55 (6), 869–881. https://doi.org/10.1007/s11430-012-4423-2.

17. Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений // Физика очага землетрясения / Ред. М.А. Садовский. М.: Наука, 1975. С. 6–29.

18. Nanjo K.Z., Hirata N., Obara K., Kasahara K., 2012. Decade‐scale decrease in b value prior to the M9‐class 2011 Tohoku and 2004 Sumatra quakes. Geophysical Research Letters 39 (20), L20304. https://doi.org/10.1029/2012GL052997.

19. Осокина Д.Н. Пластичные и упругие низкомодульные оптически-активные материалы для исследования напряжений в земной коре методом моделирования. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 196 c.

20. Осокина Д.Н., Бондаренко П.М. Вопросы применения поляризационно-оптического метода в экспериментальной тектонике для моделирования тектонических полей напряжений // Экспериментальная тектоника. Методы, результаты, перспективы. М.: Наука, 1989. С. 78–125.

21. Panteleev I., Plekhov O., Pankov I., Evseev A., Naimark O., Asanov V., 2014. Experimental investigation of the spatio-temporal localization of deformation and damage in sylvinite specimens under uniaxial tension. Engineering Fracture Mechanics 129, 38–44. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.08.004.

22. Rivière J., Lv Z., Johnson P.A., Marone C., 2018. Evolution of b-value during the seismic cycle: Insights from laboratory experiments on simulated faults. Earth and Planetary Science Letters 482, 407–413. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.11.036.

23. Scholz C.H., 1968. The frequency-magnitude relation of microfracturing in rock and its relation to earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America 58 (1), 399–415.

24. Семинский К.Ж. Структурно-механические свойства глинистых паст как модельного материала в тектонических экспериментах. Иркутск: ИЗК СО АН СССР, 1986. 130 с. ВИНИТИ 13.08.86. № 5762–В86.

25. Семинский К.Ж. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Тектонофизический аспект. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2003. 243 с.

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

27. Шерман С.И. Физический эксперимент в тектонике и теория подобия // Геология и геофизика. 1984. Т. 25. № 3. С. 8–18.

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

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

30. Шерман С.И., Семинский К.Ж., Борняков С.А., Буддо В.Ю., Лобацкая Р.М., Адамович А.Н., Трусков В.А., Бабичев А.А. Разломообразование в литосфере. Зоны сдвига. Новосибирск: Наука. СО, 1991. 261 с.

31. Sutton M.A., Orteu J.J., Schreier H.W., 2009. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements: Basic Concepts, Theory and Applications. Springer, New York, 322 p.

32. Tocher D., 1958. Earthquake energy and ground breakage. Bulletin of the Seismological Society of America 48 (2), 147–153.

33. Зубарев Д.Н., Морозов В.Г., Репке Г. Статистическая механика неравновесных процессов. М.: Физматлит, 2002. 431 с.