Зарождение тектонофизических исследований в Иркутске относится к пятидесятым годам прошлого века и связывается с именем профессора В.Н. Даниловича. Новое тектонофизическое направление в геологической науке было подхвачено активно развивающимися в 50-х годах прошлого века институтами Сибирского отделения Академии наук, в том числе и Институтом земной коры в Иркутске. Здесь в конце пятидесятых годов В.Н. Даниловичем, Г.В. Чарушиным, О.В. Павловым, П.М. Хреновым, С.И. Шерманом и другими исследователями начали проводиться широкомасштабные исследования разломов и трещиноватости горных пород не только под углом зрения структурного анализа разрывной тектоники, но и как формы физико-механического разрушения земной коры. В 1979 г. Ученый совет ИЗК СО АН СССР по инициативе профессора С.И. Шермана при активной поддержке академика Н.А. Логачева и д.г.-м.н. О.В. Павлова принял решение об организации лаборатории тектонофизики, которая до настоящего времени остается единственным научным коллективом подобного профиля на территории восточнее Урала и фактически вторым в РФ. Определяющей базой ее исследований явились работы, посвященные физическим закономерностям формирования разломов земной коры, обобщенные в монографии С.И. Шермана [Sherman, 1977], коллективном трехтомном труде «Разломообразование в литосфере» [Sherman et al., 1991, 1992, 1994] и ряде статей. Они продолжили и существенно развили исследования зарождавшейся иркутской тектонофизической школы. К началу ХХI столетия ее достижения определялись расширением применения физики разрушения материалов и математических методов анализа результатов структурной организации разноранговых разрывов в земной коре и верхней части литосферы.

Изучены тектонофизические закономерности формирования крупных разломов земной коры, впервые показаны численные взаимоотношения между главными параметрами разломов – длиной и глубиной, длиной и амплитудой смещения, длиной и густотой, а также оценены определяющие их факторы. Предложена модель строения разлома, учитывающая изменения физических свойств земной коры с глубиной. В целом показано, что разрывообразование в земной коре происходит по законам деформирования и разрушения тела Максвелла.

Расширение знаний о закономерностях развития разломов в литосфере потребовало анализа ее напряженного состояния, что является одной из самых актуальных задач геодинамики и тектонофизики. Иркутским тектонофизикам принадлежит первая карта напряженного состояния Байкальской рифтовой зоны и теоретические разработки для исследования напряженного состояния земной коры геолого-структурными методами. На их базе была составлена новая карта напряженного состояния верхней части литосферы Земли.

Изучена окружающая виртуальную ось разлома территория, вариации ее размеров, и введено понятие области динамического влияния крупных разломов литосферы. В зависимости от степени тектонической и динамометаморфической переработки горных пород внутренняя часть области динамического влияния разломов приобретает зональное строение по латерали и на глубину.

Изучена внутренняя структура континентальных разломных зон, и показано ее формирование в течение трех главных дизъюнктивных стадий, каждой из которых соответствуют строго определенные деформационное поведение субстрата, его напряженное состояние, парагенез разноранговых разломов, пространственные и временные вариации параметров.

Выделение и анализ тройственных парагенезов трещин, характерных для различных регионов, легли в основу разработанного метода спецкартирования структуры земной коры, который позволяет определить местоположение и границы разломных зон, условия их образования, важнейшие особенности внутреннего строения и может быть эффективно реализован в рамках традиционной геологической съемки любого масштаба.

Результатом исследования тектонической делимости Земли на новом уровне тектонофизических разработок стали представления о зонно-блоковой структуре (ЗБС) литосферы. На основе анализа разномасштабных разломных схем установлена строгая ранговая соподчиненность в организации ЗБС литосферы Центральной Азии, где выделены и количественно охарактеризованы 11 объективно существующих уровней иерархии (от глобального до локального). На базе представлений о зонно-блоковом строении земной коры Байкальского рифта проведено изучение и выявлены главные пространственные и временные закономерности распределения концентраций почвенного радона в Прибайкалье.

Обобщены результаты комплексных геолого-структурных, тектонофизических и геоэлектрических исследований кайнозойских и мезозойских впадин Прибайкалья и Забайкалья. Охарактеризованы разломно-блоковая структура, глубинное строение, напряженное состояние и сейсмичность земной коры отдельных территорий региона.

Обобщен первый опыт комплексных тектонофизических исследований в пределах Якутской алмазоносной провинции, направленных на выявление структурных факторов контроля пространственной локализации кимберлитовых тел. Тектонофизическими методами установлена взаимосвязь периодов формирования кимберлитовых тел с этапами становления и активизации разрывной структуры платформенного чехла. Впервые показано, что определяющую роль в структурном контроле кимберлитового магматизма на Сибирской платформе играют разломные зоны ортогональной сети, активизировавшиеся в режиме знакопеременных движений на разных этапах ее развития в палеозое и мезозое.

Выполнена серия оригинальных исследований на базе физического моделирования. Одним из важных результатов экспериментальных работ стало моделирование процесса формирования Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) на упругопластичном материале с выполнением критериев подобия. Оно дополнено физическим моделированием рифтовой системы Шаньси, проведенным совместно с китайскими исследователями при выполнении совместного российско-китайского проекта по РФФИ.

Изложены перспективы тектонофизических исследований на ближайшие годы, в том числе начаты оригинальные экспериментальные работы по изучению деформационных волн в упруговязких средах.

В настоящей работе собран и проанализирован обширный ряд экспериментальных данных во всем диапазоне масштабов, который относится к сейсмотектонике и геомеханике, – от микрособытий с линейным размером очага порядка нескольких сантиметров до мегаземлетрясений. Рассмотрены закономерности изменения геометрических характеристик разноранговых разломов и трещин и их механических свойств, линейных размеров очага землетрясения, времени подготовки динамического события и сейсмической энергии.

Усреднение по всему диапазону масштабов дает соотношения, близкие к закону геометрического подобия. Более детальное рассмотрение позволяет обнаружить, что существует несколько иерархических уровней, в которых изменение параметров событий с масштабом происходит по разным законам, зачастую сильно отклоняющимся от законов подобия.

Показано, что линейные размеры L~500–1000 м являются некоторой переходной областью, которая оказывается границей между двумя диапазонами, в которых масштабные соотношения существенно разные. Следует отличать и шахтную сейсмичность, глубина очагов которой невелика.

Установлено, что для землетрясений Байкальской рифтовой системы отмечается аномальная тенденция сильного возрастания приведенной энергии, рассчитанной по величине класса события, с увеличением масштаба. В интервале моментных магнитуд от 5 до 6.3 усредненное приведенное значение сейсмической энергии превышает среднемировую величину для этого диапазона, по крайней мере, в 25 раз. Необходимо разобраться, является ли этот эффект артефактом, связанным с некорректным расчетом величины сейсмической энергии, или имеет место не объясненный пока физический эффект.

Обычно принято считать, что причиной землетрясений земной коры является внезапное смещение вдоль разлома при наличии двух основных условий. Первое условие связано с высоким синергизмом разлома, когда при достижении предельного уровня напряжений отдельные участки разлома очень быстро соединяются друг с другом, способствуя быстрому смещению более длинных участков данного разлома. Второе условие заключается в значительном напряжении, накопленном на отдельных участках разлома, при котором может быть преодолено сопротивление смещению высокопрочных участков разлома. Исследование таких процессов может помочь в выявлении краткосрочных неизбежных предвестников, проявляющихся перед землетрясениями. В лабораторных условиях проводится моделирование состояния нестабильности прямого разлома. Полученные кривые вариаций напряжений позволили установить состояния напряжений модели и выявить стадию метанестабильности. В данной работе проведено сравнение данных, полученных путем наблюдения процесса на модельной установке, с физическими параметрами полей образца и выявлены различия процессов пространственно-временного развития разломных напряжений по стадиям, когда отмечены отклонения напряжений от линейности и метанестабильности. Результаты исследования показали, что вследствие взаимодействия отдельных участков разлома их независимая активность постепенно переходит в синергетическую активность, и такой синергизм является показателем состояния напряжений разлома. Процесс синергетической активности разлома проходит три стадии развития: возникновение небольших участков, где высвобождаются напряжения, расширение и увеличение размеров таких участков высвобождения напряжений и соединение участков, где идет высвобождение напряжений. Первая стадия начинается, когда кривая напряжений отклоняется от линейности, при этом на каждом участке разлома имеют место вариации напряжений, в результате чего появляются отдельные изолированные участки, где происходит высвобождение и накопление напряжений. Вторая стадия связана с квазистатической нестабильностью ранней метанестабильности, когда отдельные участки разлома, где идет высвобождение напряжений, увеличиваются в размерах и продолжается их стабильное расширение. Третья стадия соответствует поздней метанестабильности, т.е. квазидинамической нестабильности, поскольку ускоряются как расширение участков высвобождения напряжений, так и усиление уровня напряжений на участках накопления напряжений. Синергизм ускоряется, когда квазистатические трансформации переходят в квазидинамическое расширение, при этом действует механизм взаимодействия между участками разлома. Суть такой трансформации заключается в изменении  механизма расширения участков – расширение изолированных участков разлома сменяется на слияние таких участков при их взаимодействии, когда разлом входит в критическую стадию потенциального землетрясения. На основе данных, полученных экспериментальным путем и дополненных информацией о пространственно-временной эволюции землетрясений вдоль разлома Лаохушан-Маомаошан в западной части разломной зоны Хайюань в Северо-Восточном Китае, проанализирован процесс синергизма данного разлома перед землетрясением магнитудой 6.2, которое произошло 6 июня 2000 г.

В итоге многолетних исследований сетей «немых» (без видимых смещений) трещин в зонах скалывания получил полную методическую завершенность метод картирования разломной структуры и полей напряжений, базирующийся на парагенетическом анализе массовых замеров повсеместно распространенной трещиноватости. Он назван спецкартированием, во-первых, вследствие его специальной структурной направленности в отличие от традиционного геологического картирования природных регионов и, во-вторых, из-за специфичности подхода с использованием трещин в качестве исходного звена для расшифровки разломно-блоковой структуры природных регионов. Данная статья (№ 1) посвящена теоретическим основам и принципам спецкартирования. Статья № 2 готовится к опубликованию в одном из следующих номеров журнала и будет содержать описание этапов практической реализации метода на конкретных примерах.

Спецкартирование по общим принципам организации подобно другим методам, в основе которых лежит структурно-парагенетический анализ, но отличается от них типами парагенезисов, принимаемых в качестве исходных для выявления разломных зон земной коры. Они представляют результат постадийного разломообразования (рис. 2, 7), в процессе которого в зоне скалывания происходит закономерная смена полей напряжений 2-го порядка. Обобщение экспериментальных и природных данных показало, что полный парагенезис разрывов зоны скалывания разломного типа состоит из магистрального сместителя (разлом 1-го порядка) и семи направлений разломов 2-го порядка: R, R’, n, n’, t, t’ и T-типа (рис. 4, 8). Каждому из этих направлений на трещинном уровне соответствует парагенезис из трех примерно перпендикулярных систем опережающих разрывов (рис. 1). Его основу составляют два классических направления сопряженных трещин, одно из которых совпадает с положением разломного сместителя (рис. 3). Поскольку сдвиги, взбросы и сбросы в механическом отношении подобны (формируются при скалывании), эталонные наборы разрывных систем для зон их влияния являются членами представленного выше обобщенного парагенезиса разломов и трещин, ориентированного в пространстве так, чтобы его положение и характер подвижек по Y-сколам соответствовали правому или левому сдвигам, а также сбросам или взбросам с разными углами падения. Подобный подход позволил составить эталонные круговые диаграммы (трафареты), каждая из которых представляет полный набор разрывных систем для всех основных типов разломных зон (рис. 6). Эти трафареты используются в спецкартировании для сопоставления с диаграммами массовых замеров трещин, соответствующих точкам структурных наблюдений на изучаемом участке земной коры. Полученные в результате данной операции локальные решения о присутствии в пункте наблюдения разломной зоны определенного типа и пространственной ориентировки выносятся в соответствующем месте на схему территории, после чего по точкам с однотипными парагенезисами отстраиваются границы разломных зон.

Кроме составленной таким способом схемы разломной структуры спецкартирование дает возможность установить типы полей напряжений, в которых на отдельных этапах формировались или активизировались ее отдельные элементы. Для этого проводится поранговый анализ выделенных разломных зон, на первом этапе которого все первоначально полученные локальные решения сопоставляются по типу и ориентации с членами идеализированного парагенезиса разломов 2-го порядка, соответствующего сдвигу, взбросу (надвигу) или сбросу (рис. 8). Выявленные в итоге данной процедуры решения о наличии разнотипных разломных зон более крупного ранга соответствуют региональному уровню поля напряжений, существовавшему в истории развития изучаемого участка земной коры. Эти региональные решения используются в качестве основы для следующей итерации с идеализированными парагенезисами разломов, пока не будет исчерпана возможность объединения разломных зон в рамках сети какого-либо определенного типа. Несколько (обычно 3-4) оставшихся решений об ориентировке разломной зоны и динамической обстановке ее формирования отражают самый низкий (региональный или геоструктурный) уровень процесса деструкции в регионе. Они не могут развиваться в одно время и, таким образом, соответствуют разным этапам разломообразования, проявившимся на изучаемой территории. Эти этапы располагаются в эволюционной последовательности, согласно возрастным оценкам, сделанным по косвенным (статистическая информация о частоте встречаемости и угловых соотношениях разрывных систем) или прямым (априорная информация) признакам. В заключение спецкартирования обратным ходом осуществляется составление схем разломных зон для каждого их главных этапов формирования структуры. Для этого из общей сети выделяются те дизъюнктивы, которые возникли или активизировались в соответствующем поле напряжений.

Парагенетический принцип, применяющийся для выделения на местности разломных зон, и эволюционный принцип, используемый для определения этапности формирования структуры, дополняются при спецкартировании статистическим подходом к сбору и обработке информации, формализованностью и единообразием основных операций метода, а также использованием компьютерных средств на всех этапах работы. Это позволяет успешно решать проблемы, связанные с изучением «немой» трещиноватости (кажущаяся хаотичность, локальность первичных наблюдений, неопределенность возрастных взаимоотношений, влияние структурно-вещественных неоднородностей, времяемкость сбора и обработки статистической информации), что выводит спецкартирование в разряд наиболее эффективных методов исследования разломной структуры земной коры. В следующей статье будет показано, что даже в слабообнаженных регионах реализация метода позволяет откартировать разломные зоны, установить их типы и разновозрастные поля напряжений, в которых происходило разломообразование. Главным итогом спецкартирования являются схемы разломных зон, активных на отдельных этапах формирования структуры и представляющих основу для решения ключевых вопросов эндо- и экзогеодинамики, а также структурного контроля месторождений, связанных с разломами.

В работе представлены результаты тектонофизической реконструкции поля тектонических напряжений для северо-западного фланга Тихоокеанской сейсмофокальной области в районе подготовки очага землетрясения Тохоку 2011 г. Реконструкция опиралась на сейсмологические данные о механизмах очагов землетрясений в период, предшествовавший катастрофическому землетрясению. Поле напряжений, в котором формировался очаг землетрясения Тохоку, имело высокий уровень градиента вдоль погружения сейсмофокальной области. Установлено, что развитие очага этого землетрясения происходило в области сочленения участков коры с высоким и низким уровнем эффективного давления. На глубинах, близких к 30 км, присутствовала обширная область пониженного уровня эффективного давления, которая является наиболее предпочтительной для развития хрупкого разрушения. Большая протяженность землетрясения Тохоку нами связывается с большой протяженностью участков коры с высоким уровнем градиента напряжений, расположенных вдоль всего восточного участка коры о. Хонсю.

Реконструкция напряжений также показала, что ось Японского океанического желоба разделяет сейсмофокальную область на зоны горизонтального сжатия (к западу) и горизонтального растяжения (к востоку). Наши расчеты показывают, что наибольший уровень латерального сжатия наблюдается в коре на глубинах 0–20 км к западу от оси желоба. Здесь оси максимального латерального сжатия ориентированы ортогонально оси желоба. К востоку от оси желоба ортогонально ему ориентированы оси наименьшего горизонтального сжатия. При этом скачок в уровне напряжений при переходе через Японский желоб составляет около 5–8 значений внутреннего сцепления (t f) пород. Для Идзу-Бонинского желоба этот скачок менее выражен, хотя явно существует и составляет 3–5 t f.

Рассмотрены специфические черты разломно-блокового строения Байкало-Енисейского разлома, расположенного в области сочленения Сибирской платформы и Западно-Сибирской плиты с целью анализа безопасной эксплуатации объектов ядерной энергетики Красноярского края. На основе современного положения террас р. Енисея, поверхностей выравнивания разного возраста и глубины эрозионного вреза оценены скорости неотектонических движений в зоне Байкало-Енисейского разлома и на сопредельных территориях. Показано, что максимальные градиенты скоростей современных движений не превышают порядка 10–8–10–9. Скорости относительных перемещений внутриразломных блоков, ограниченных региональными разломами, составляют в среднем 0.1–0.2 мм/год, а локальными – 0.02–0.03 мм/год, что дает основание оценивать современную геодинамическую активность в зоне Байкало-Енисейского разлома как слабую, не влияющую на безопасную эксплуатацию объектов ФГУП «ГХК» (Горно-хими­ческий комбинат).

Проведена серия натурных экспериментов с применением созданного испытательного стенда «Трибо», представленного в виде перемещаемой с разными скоростями бетонной плиты, которая рассматривается как искусственное аллохтонное крыло на шероховатой плоскости сегмента Ангарского разлома в Прибайкалье. Наблюдаемые при испытаниях трибологические эффекты контактного взаимодействия неровностей в зоне скольжения фиксировались с применением деформометрической и динамометрической аппаратуры, а также четырех сейсмических станций «Байкал-7HR», широко используемых для регистрации землетрясений. Изучалось также влияние ударных воздействий на инициацию источников сейсмических колебаний в процессе меняющихся режимов при разрушении различных по размерам и прочности неровностей под основанием плиты. Повышенное внимание было уделено стадийнос­ти процесса фрикционного трения при подготовке переходов от квазиравномерного замедленного скольжения плиты к ее срыву и возникновению энергетически крупного сейсмического импульса.

Примененный способ более масштабного физического моделирования на реальных природных объектах позволяет получать новые сведения, которые могут быть полезными в изучении механизмов и стадийности возникновения землетрясений в зонах разломов, при интерпретации данных сейсмологических наблюдений. Подобные результаты физических испытаний важны для совершенствования методических подходов к прогнозу горных ударов и землетрясений, а также для разработки новых физических моделей формирования разномасштабных очагов землетрясений в тектонических разломах.

Приведен анализ современных, протекающих в реальном масштабе времени, деформационных процессов в зонах разломов, выявленных по данным многолетних геодезических (наземных и спутниковых) наблюдений, выполненных с повышенной пространственно-временной детальностью.

Продемонстрирован новый класс современных движений земной поверхности – параметрически индуцированные тектонические деформации разломных зон. Показано, что возникновение суперинтенсивных (до 5–7 см в год, (5–7)·10–5 в год) движений земной поверхности в разломных зонах сейсмоактивных и асейсмичных регионов происходит под влиянием крайне малых внешних воздействий природного или техногенного генезиса.

Установлена пространственная дискретность аномальных деформационных процессов вдоль простирания регионального Речицкого разлома (Припятская впадина). Сделан вывод о необходимости учета современной аномальной активности разломных зон при установлении региональных закономерностей геодинамических процессов на основе измерений, проводимых в реальном масштабе времени.

Представлены результаты анализа длительных (20–50 лет) геодезических наблюдений, проведенных в регионах с повышенной сейсмотектонической активностью (Копетдаг, Камчатка, Калифорния). Установлено, что результаты инструментальных геодезических наблюдений за современными вертикальными и горизонтальными смещениями в зонах разломов указывают на «парадоксальное» отклонение деформаций от унаследованных движений прошлых геологических эпох.

«Парадоксы» больших и малых скоростей деформаций в современной геодинамике сводятся к надежному эмпирическому факту – наличию исключительно высоких локальных скоростей деформаций в зонах разломов, порядка 10–5 в год и более, которые протекают в обстановке низких региональных деформаций, имеющих среднегодовые скорости на 2–3 порядка меньше. В Копетдагском и Камчатском сейсмоактивных регионах, а также в зоне разлома Сан Андреас (Северная Калифорния) выявлены очень низкие среднегодовые скорости относительных горизонтальных деформаций, которые составляют всего 3–5 амплитуд земноприливных деформаций в год.

Сформулирована «разломно-блоковая» дилемма, которая возникает при интерпретации результатов наблюдений в современной геодинамике разломов. Либо активным элементом, формирующим современные аномальные деформации, является блок, а разлом выступает в качестве «пассивного» элемента, либо зона разлома сама является источником аномальных движений, а блоки являются пассивными элементами – вмещающей средой. Показано, что «парадоксы» больших и малых скоростей деформаций снимаются, если считать, что современная аномальная геодинамика формируется за счет параметрического возбуждения деформационных процессов в зонах разломов, в обстановке квазистатического режима нагружения.

На основе эмпирических данных установлено наличие пространственно-временной миграции современных де­формационных процессов в разломных зонах и существование двух типов волн: «межразломной» и «внутриразлом­ной». Разработана феноменологическая модель формирования автоволновых деформационных процессов, и показано ее согласие с наблюдениями. Введено понятие «псевдоволны», и предложен подход к организации наблюдений за деформационными автоволнами.

Отмечены проблемы идентификации результатов геодеформационных наблюдений, обусловленные новыми технологиями измерений, которые приводят к «соотношениям неопределенности» типа «пространственный размер аномалии – густота наблюдательных пунктов» и «длительность аномалий – временная детальность измерений». Показана неоднозначность в определении векторов смещений земной поверхности методом РСА интерферометрии.

Рассматриваются некоторые аспекты современной геодинамики, картографирования геодинамических процессов, развивавшиеся с середины 60-х годов прошлого века в ИЗК СО РАН (с начала 80-х гг. в лаборатории тектонофизики, а затем и совместно с лабораторией современной геодинамики). Рассмотрена история вопроса, достигнутые результаты развития идей и перспективы дальнейших исследований в этой области. Статья посвящается 35-летию лаборатории тектонофизики ИЗК СО РАН и ее достижениям, главным образом, в области геодинамики.

Статья посвящена 80-летию профессора Семена Иойновича Шермана – основателя лаборатории тектонофизики ИЗК СО РАН, крупного специалиста в области разломообразования, напряженного состояния и сейсмичности литосферы, заместителя главного редактора журнала «Геодинамика и тектонофизика».