Физика волнового сейсмического процесса

Моим учителям и наставникам Инталию Евгеньевичу Ля мову
и
Льву Николаевичу Рмкунову
Щ/ W W ЩГ
носвищаеіси
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................6
Глава I. СЕЙСМИЧЕСКИЕ БРЕШИ......................................................21
1.1. Ссйсмофокальные блоки.....................................................21
Класс сильнейших землетрясений............................................21
«Элементарные» блоки......................................................24
Повторяемость сильнейших землетрясений....................................26
1.2. Сейсмичность блока........................................................30
Три сталии сейсмического и миграционного циклов...........................30
Две фазы афтершоковой стадии. Закон Омори.................................36
Форшоки...................................................................37
Краевая сейсмичность......................................................38
1.3. Сейсмические дыры.........................................................40
Особенности сейсмичности эниценгральных областей сильнейших землетрясений 40 Класс сильных землетрясений...............................................41
0 границе афтершоковой области............................................48
1.4. Ротация и сейсмичность....................................................49
Сейсмичность Австралии....................................................49
Механическая модель сейсмического процесса................................52
Природа вихревой (кольцевой) сейсмичности.................................54
Основные выводы к главе I......................................................56
Глава 2. ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.................................59
2.1. Распределение ісміхетрясений во времени...................................59
Две особые точки..........................................................59
Класс сильных форшоков и афтершоков.......................................60
Квазиперподичность сейсмического процесса.................................62
1 Ірптяженне и отталкивание землетрясений.................................63
2.2. Феноменологическая модель.................................................67
Миграция землетрясении....................................................67
Особенности магнитудного распределения землетрясений......................71
Взаимодействие очагов землетрясений.......................................74
Методика прогноза времени землетрясений и мест расположения их очагов 76
2.3. Ротационная модель........................................................77
Энергия и момент силы упруг ого ротационного поля.........................77
Дальнодействие............................................................8:
Волны миграции землетрясений..............................................83
Скорость разрыва - как предельная эксигтонная скорость миграции...........87
Тектоническая природа волн миграции сейсмичности..........................87
3
2.4. Природа нутации попюса планеты.................................................90
Постановка проблемы. Исходные данные..........................................90
«Нулевые» колебания окраины Тихого океана.....................................95
Расщепление частоты Чандлера..................................................97
Основные выводы к главе 2....................................................103
Глава 3. САМОСОГЛАСОВАННОЕ УПРУГОЕ ПОЛЕ
СЕЙСМО-ТЕКТОПИЧЕСКОГО ПОЯСА.................................................105
3.1. взаимодействие тектонической волны с сейсмофокальным олоком....................105
Стадии взаимодействия.........................................................105
Сейсмический цикл.............................................................109
П|игделы применимости «возмущенной» ротационной модели........................111
Землетрясения и крип..........................................................113
3.2. Механика очага сильнейшего землетрясения.......................................116
Дефорхтационная волна кручения................................................116
Момент волны..................................................................118
Землетрясение как предельный экентон.........................................119
Дисклинации .................................................................121
3.3. Квант сейсмотектонический активности...........................................122
11рсдпосылкн.................................................................122
Скачки траекторий нутации....................................................12-1
О природе процессов, про!екающих при землетрясении...........................12«
3.4. О принципиальной возможности построения теории сейсмического прогноза .. 131
Немного истории..............................................................131
Об универсальности ротационной модели........................................132
О природе бухтообрэзных предвестников землетрясении..........................133
Основные выводы к главе 3........................................................... 134
Глава 4. ВОЛНОВАЯ ГЕОДИНАМИКА ЛИТОСФЕРЫ (введение в проблему) 136
4.1. Форма островных дуг............................................................136
4.2. Взаимосвязь между сейсмичностью и вулканизмом окраины Тихого океана 137
Введение.....................................................................137
О волновом характере вулканического процесса.................................140
Поднятие Дарвина как нндтткатор проявления на поверхности
гигантского супсрппюма...................................................14!
Возможные последствия роста и разрушения поднятия Дарвина....................143
4.3. О возможном механизме напряженного состояния земной коры.......................145
4.4. Геодинамика планет............................................................. 146
Роль ротационных зффсктов....................................................146
Две гипотезы.................................................................151
Основные выводы к главе 4........................................................... 151
4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................154
ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................157
II. I. Смещения и напряжения упругого ротационного ноля,
их энергия и момент силы..............................................157
Исходные физические данные «одели.....................................157
Постановка задачи.....................................................161
Решение задачи.........................................................162
П. 2. Взаимодействие в модели двух блоков..................................166
П..1. Волновые решения цепочки блоков......................................170
Однородная цепочка.....................................................170
Неоднородная цепочка с трением.........................................173
//.•/. Новый физический подходк сейсмотектоническим исследованиям...........187
Противоречивость данных о периодичности сейсмического процесса.........187
Общепринятая методика исследования распределения чисел землетрясений
по временным интервалам между ними.................................187
Модифицированная методика исследования свойств распределения
землетрясений во времени...........................................188
Фазовое пространство- физическая основа нового подхода
к задачам сейсмостатистнкн.........................................190
Я.5. Сценарии ра звития сейсмического процесса..............................191
Северо-западная часть Тихого океана...................................191
Желоб Нанкай..........................................................191
Северные Курилы - Камчатка............................................192
Авачннский залив (Камчатка)...........................................194
Кроноцкое 5.12.1997. М-7.5-7.6 землетрясение (Камчатка)...............194
Австралия.............................................................195
Фор-афтершоковый процесс в очаге сильнейшего землетрясения
(на примере Японии, Курил и Камчатки)..............................195
/7.6. Сводки данных о скоростях миграции землетрясений, скоростях вспарывания,
мулыниплетности главных толчков и данных о движениях земной коры
и сопровождавших их сейсмических явлениях.............................200
ЛИТЕРАТУРА...................................................................207
5
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных задач, стоящих перед исследователями сейсмологами и геофизиками, является изучение землетрясении с целью уменьшения гигантского ущерба и предотвращения гибели людей, которые имеют место в результате этого природного явления. Достаточно сказать, что от землетрясений на планете, в среднем, из каждых 8000 человек один погибает н примерно десять в большей или меньшей степени страдают.
Необходимость исследования землетрясений как взаимосвязанных событий была очевидной, пожалуй, с того момента, как люди впервые обратили свое внимание на это грозное явление природы н стали вырабатывать соответствующие средства защиты. Эффекты группирования землетрясений и закономерною размещения их очагов в пространстве и во времени были отмечены уже первыми составителями описаний и списков сейсмических событий.
В 1915 г., когда сейсмология еще не являлась самостоятельным разделом науки, начала свою работу сейсмическая станция в Пегронавловскс-Камчатском (Викулин, Синельникова, 1985). удаленном в то время ог научных центров на максимально возможное на нашей планете расстояние. Первый наблюдатель станции - чиновник радиотелеграфа
А.Л.Пурин, был. несомненно, человеком активным и эрудированным. С аппаратурой станции - наисовременнейшим по гем временам сейсмографом Б.Б.Голицынз, как и с текстом его книги «Лекции по сейсмометрии» (Голицын, 1912), он познакомился, как говорится, «с колес», после получения их в морском порту, куда они после полугодового путешествия прибыли из Санкт - Петербурга. Но уже через один - два года работы па станции в результате обработки сейсмограммою материала и сбора макросейсмнчсскнх данных о землетрясениях и извержениях камчатских вулканов ои уверенно писал в своей брошюре : «...если не предсказывать, то по крайней мерс наметить пределы времени, между которыми следует ожидать наступление крупной катастрофы, можно и теперь» (Пурин, 1917).
Полученные к настоящему времени данные геофизических исследований позволяют интуитивно • очевидное предположение о существовании взаимосвязи между СИЛЬНЫМИ землетрясениями сформулировать в виде научно обоснованной концепции волнового сейсмического процесса, в рамках которой совокупность землетрясений оказывается возможным аналитически описать в пространстве и во времени с учетом их взаимодействия друг с другам и с друг ими планетарными явлениями.
6
Актуальность темы. 1. Одной из первых важных особенностей сейсмичности, на которую исследователи достаточно давно обратили свое внимание, было свойство периодичности > повторяемости наиболее сильных землетрясении в одном месте через определенный интервал времени (Мушкетов. Орлов, 1893; Davison, 1936; Kawasumi, 1951; Кириллова, 1957; Мэй Шиюн, 1960; Тамразян, 1962; Федотов, 1965; Фнллнпас, 1965; Ambraseys, 1970; Shimazaki. Nakata, 1980).
Развитие инструментальной сейсмологии, завершение создания мировой сети сейсмтрссских станций, введение в 1945 г 8 практику инструментальных сейсмологических наблюдений понятия мапнлгуды (Gutenberg, 1945a.b) и построение на ее основе мировых (Gutenberg. Richter. 1954; Duda. 1965; Rothe. 1969) и региональных инструментальных каталогов землетрясений послужило основой для достаточно полною описания географии планетарной сейсмичности и, как следствие, введения концепции сейсмических пояспа, узкими полосами простирающимися вдоль всей поверхности планеты на многие тысячи и десятки тысяч километров (Савареискнн, Кнрнос, 1955; Рихтер, 1963). Анализ показал (Савлрснский, Кирнос, 1955; Рихтер, 196.3; Голубева, 1965), что практически вся сейсмичность планеты сконцентрирована в пределах двух поясов, простирающихся пол прямым углом друг друзу. It пределах одного тп них - окраины Тихого океана, субмеридиональной по простиранию, выделяется около 80 * 85% всей сейсмической энергии планеты; в пределах второго - Алытийско-Гиммалайского субширотного пояса - около 10-
15%.
Уже первые результаты инструментального исследования сейсмичности позволили достаточно убедительно подтвердить замеченное ргшее рядом исследователей ее свойство миг/хгции - т.с. закономерного перемещения во времени и в пространстве всего сейсмического пояса (Тамразян, 1962; Mogi, 1968а), некоторой его части или отдельно взятых очатов сильнейших землетрясений (Рихтер. 1963. Тамразяи, 1962: Duda. 1963а; Mogi. 1968b: Mogi. 1969), включая осцилляции (Тараканов. 1961: Duda, 1961, 1963; Duda. Bath, 1963). Явление миграции в виде упругих импульсов зарегистрировано и в образцах горной породы (Канатон, 1970). Выявление эффекта D-волн (Губерман, 1975) указывает на волновую природу миграции землетрясении.
Было также отмечено, что наиболее сильные землетрясения часю имеют тенденцию группироваться в эпохи, в течение которых практически одновременно наблюдаются на всей поверхности Земли н при этом редко происходят в интервалах времени между ними (Мушкетов. Орлов. 1893; Тамразян. 1962. Моги, 1974).
7
Явление і руппнруемости землетрясений в пространстве и во времени на меньшем масштабном уровне (Боровик. 1970; Кейлнс-Борок. Подтаецкая. Прозоров, 1971; Гусев. 1974; Кондратенко, 1975; Нерсесов, Пономарев, Тейгельбаум, 1976) было установлено практически для всех сейсмоактивных районов Земли (Сидорин, 1992; Соболев, 1993). На грулнирусмостъ землетрясений по величине их сейсмической энергии указывают данные о существовании при определенных значениях магнитуд статистически значимых и объяснимых на геологическом материале отклонений от линейного закона повторяемости, которые отмечались многими исследователями : М =» S ■ Новая Зеландия (Eiby. 1971), Северная Анатолия (Bath,1981), Мексика (Singh, Rodriquez, Esteva, 1983), Япония (Wcsnousky, Scholz, Shiraazaki, Matsuda, 1984). Алеутские острова (Davidson. Scholz, 1985). Эгейское морс (Main, Burtoli. 1989). Южная Калифорния (Wesnousky, 1990). Камчаїка (Гусев, Шумилина, 1995); М - 4, Таджикистан (Лукк. 1969), М 5.5, Камчатка (Кролевсц, Писарев. 2000), М 5-6 Япония (Scino, Fukui, C'hurcl, 1989) и др. (Takananii, Taylor, Snokc, Sacks, 1991; Pacheco, Scholz, Sykes, 1992; Полякова, 1987; Гоцадзс, 1973; Цветков, 1974). Отмстим, в области магни туд М 8 нелинейность закона повторяемости не исчезает и при переходе к моментиой магнитуде Mw.
Существование таких явлений группирования землетрясений и их миграции позволяет предположить наличие между их очагами вполне определенной связи, по сути, взаимодействия (Кузнецова. 1974), физика косорото определяется свойствами пространственного, временного и энерге тического распределений землетрясений.
Приведенные данные о группируемое ти землетрясений и волновой природе миграции сейсмичности указывают на то. 'гто совокупность землетрясений, рассматриваемая в пространстве и во времени с учетом взаимодействия между их очагами, может рассматриваться как вполне определенный физический процесс.
Определение. Под сейсмическим процессом будем понимать совокупность землетрясений протяженного региона (очага отдельно взяюго землетрясения, островной дуги или всего сейсмического пояса), рассматриваемую в пространстве и во времени с учетом взаимодействия их очагов.
Данные о существовании взаимосвязи между землетрясениями, с одной стороны, и процессами в атмосфере (Bossolasco. 1963; Сытинский. 1979. 1997), вариациями вращения планеты (Стовяс, 1958; Hcdcrvari. 1963; Ап, 1987; Chao, Gross, 1995; Таксо, ho, 1997; Копничсв, Соколова, 1997), нутацией ее полюса (Smylic, Mansiha, 1968, 1971; Федоров и др., 1972; Котляр, Ким, 1994), гелиофнзическими параметрами (Курбасова и др., 1997),
8
космическими факторами (Тамраэяп. 1959: Широков. 1974. 1977; Широков, Кузьмин, 1990), эклиптической долготой Луны (Shirley. 1986; Knopoilf, 1970), солнечной акгнвностыо (Барсуков, 1984; Линьков, 1987; Яснов, 1993). количеством осадков (Cosiain, Bollinger. 1991), колебаниями уровня моря (Родкин, 1992) - с другой, укалываю; на монетарный масштаб сейсмического процесса
С использованием теории субдукции (Лс Питон, Франигго, Боннин, 1977) были разработаны механические модели, в рамках которых закономерности сейсмичности удалось связан, с параметрами, характеризующими движение тектонических плит, в результате стала очевидной тектоническая природа волн миграции (Elsässer, 1969; Savage, 1971; Лобковский, Баранов, 1984; Маламуд, Николаевский, 1989; Николаевский. 19%).
Таким образом, приведенные данные позволяют предположить, что сейсмический процесс следует рассматривать как волновой, планетарного масштаба процесс, имеющий тектоническую природу.
2. Был установлен блоковый характер геофизической среды (Садовский, 1979; Садовский. Болховитинов. Писаренко, 1987; Садовский, Писаренко. 1991). доказано, что Земля обладает сально выраженными нелинейными свойствами (Николаев, 1987; Пономарев, 1987; Хаврошкин, 1987; Проблемы..., 1987), и показано, что закономерности сейсмичности а поясах могут быть описаны аналитическими методами с помощью нелинейных волновых уравнений (Артамонов, 1976; Журавлев. 1980; Ouchi, По, 1986; Любушии. 1991).
Иден блокового строения геофизической среды при построении моделей сейсмического процесса использовались и ранее. Краткий обзор такого рода моделей приведен в работе (Любушии (мл). 1987). Согласно этого обзора, отличительная особенность таких моделей состоит в том. что в них основным моментом является иерархичность и вытекающая из нес попытка дать единое описание связи землетрясений различной силы и местоположения. В контексте данного обзора основным выводом «иерархического» подхода является сальная нелинейность дифференциальных уравнений, с помощью которых описывается сейсмический процесс. Такой вывод находится в полном согласии с приведенными выше данными о нелинейном характере блоковой среды и является вполне закономерным, поскольку в нелинейных средах, к которым относится и земная кора (Проблемы..., 1987), только за счет «включения» в линейное уравнение соответствующих нелинейных членов можно пытаться в рамках одной модели совместить миграционную (волновую) природу сейсмического процесса, с одной стороны, с большой
9
продолжительностью сейсмического цикла (100 - 200 лег) и малыми значениями скоростей миграции (10 + 1000 км/год) - с другой.
Таким образом, представляется что, аналитические модели, претендующие на адекватное описание сейсмического процесса, должны содержать нелинейные волновые уравнения, коэффициенты которых определяются свойствами геофизической среды и сейсмичности.
В последние годы разработано большое количество математических моделей для описания нелинейных сейсмических эффектов и процессов. Обзор таких моделей и их классификация приведены в работе (Быков, 2000 а). Согласно этого обзора, описание нелинейных эффектов в геофизических средах оказывается возможным описать в рамках канонических нелинейных уравнений Бусинсска. Бургерса, Корге вега - дс Вриза. Шрсдинпера. sin - Гордона и их модификаций, в которых существенными оказываются нелинейности, диссипация и дисперсия - основные характеристики и геофизической среды и волновых процессов, протекающих в се пределах. Эти уравнения имеют довольно простую структуру, их решения в применении к конкретным физическим задачам достаточно хорошо изучены (Скотт. Чжу, Маклафлин. 1973). что позволяет детально изучать физическую природу ряда фундаментальных сойсмо-тсктоничсских (и других геофизических) процессов.
Важным обстоятельством в контексте темы настоящей работы является следующий вывод, который, па наш взгляд, можно сделать на основании данных, приведенных в обзоре (Быков. 2000 а). Л именно, нелинейные волновые свойства геофизической среды, имеющей блоковое (фрагментированное) строение, оказывается возможным описать, как правило, с привлечением уравнения sin - Гордона : медленные уединенные тектонические волны при вращении фрагментов блочных сред (Николаевский. 1995), уединенные волны при деформировании среде пластическими прослойками (Гарагаш, 1996), уединенные волны в разломе земной коры (Быков, 2000 б). При лом. динамические возмущения имеют солитонный характер и при достижении состояния предельного равновесия в макромасштабе микровращения блоков образуют некую упорядоченную структуру (Михайлов. Николаевский, 2000).
Движущиеся блоки земной коры имеют составляющую, обусловленную вращением Земли. На это указывают данные о морфоструктурах (Кулаков, 1986; Кац и др., 1989) и о вихревых структурах (Ли Сы-Гуан, 1957; Мслекесцев. 1979).
10
Развивая представления микрополярного континуума, учитывающие одновременно и трансляционные смещения и кинематически независимые микроповороты отдельных блоков, оказалось возможным в рамках одной модели описать процессы, приводящие к излучению и тектонических уединенных и сейсмических упругих (землетрясений) волн (Михайлов, Николаевский, 2000). Полученный результат имеет принципиальное значение, так как открывает возможность построения в рамках модели мнкрополярного континуума механики очага тектонического землетрясения.
С позиции моментной теории упругости вывод о том. что уравнение sin - Гордона, по сути, является уравнением движения блоковой среды, очевиден : анткссммитричная часть тензора напряжений, связанная с микровращениями блоков, пропорциональна векторному произведению возвращающей силы, приложенной к поверхности вращающегося блока, на его характерный размер (радиус) т.е. синусу угл^ поворота (Николаевский. 19%; Михайлов, Николаевский, 2000).
Успехи, достигнутые в рамках моделей геофизических сред, использующих представления о блоках, двигающихся друг относительно друга по. фактически, долгоживущим разломам, несомненны. И вместе с тем. при описании таких движений нельзя не учитывать процессов, приводящих к «залечиванию» разломов; такие процессы являются альтернативными процессу нарушения сплошности земной коры и в значительной степени определяют сс прочность (Ружнч, 1997), В противном случае, «за то огромное время, в течение которого на Землю действуют землетрясения, вся земная кора должна была бы расчлениться трещинами и превратиться, грубо говоря, в песок» (Садовский, Болховитинов, Писаренко, 1987). Учет такого рода данных неизбежно приводит нас к необходимости разработки таких нелинейных континуальных моделей, в которых при поворотах блоков напряжения накапливаются не только в пределах достаточно узких («трещинных») зон между ними, но и в значительно больших объемах, в пределах достигающих размеров всею тела (Лихачев, Панин, Ззсимчук и др.. 1989).
3. Из приведенных выше данных следует, что физическое содержание моделей сейсмического процесса, связанное с его волновой тектонической природой и планетарным масштабом явления, по сути, обеспечивается за счет отождествления концепций очага землетрясения, как вполне определенного объема ссйсмофокальной зоны, и блокового строения геофизической среды. Совмещение таких концепций, с очевидностью, влечет за собою выполнение вполне определенных условий. Л именно, в свете представленных выше данных, само землетрясение, т. е. выделение энергии при сейсмическом толчке, происходит
11
вследствие такого движения в ею очаге, источником которого является взаимодействие «элементарных» ссйсмофокальных блоков друг с другом, но сути, имеющее дальнодсйствуюншй характер.
Ясно, что общепринятые в настоящее время модели очага землетрясения - ЛИТ (Мячкин. Костров. Соболев. Шамина, 1974. 1976). днлатацнн (Nur. 1972). консолидационная (Добровольский. 1984) и др.. основанные на. по сути, «локальном» принципе упругой отдачи (Reiil. 1910). uv в состоянии объяснить важные закономерности реального сейсмического процесса и, в частности, дально действующи и механизм взаимодействия в следствии того, что упругое напряжения в такого рода моделях концентрируются внутри очага в узкой зоне, примыкающей к магистральному разрыву плоской формы.
Необходимое!ь построения новых («не лохальных») моделей очага землетрясения вытекает, в том числе, и из других данных, указывающих на существование класса «замедленных» (Kanamori, Steward, 1979), «безмолвных» (Kawasaki et.ol., 1991) и многократных - мультиплетных (Lay, Kanamori, 1980) землетрясений. Попытка построения теории процесса при таких явлениях приводит к появлению большого количества условий (Yamashita, 1980). которые, вряд ли. удастся согласовать в рамках общепринятых на настоящий момент времени представлений о процессе в очаге землетрясения.
Интенсивное развитие инструментальной базы наблюдательной сейсмологии, нмовикс место в течение последних десятилетий, позволили значительно расширить спектр упругих колебаний, регистрируемых при сейсмических событиях. Гак, в настоящее время уверенно регистрируются собственные колебания планеты (Собственные колебания Земли, 1964). собственные колебания тектонических плит (Давыдов. Долгих, Запольский, Копвиллем. 1988) и длиннопериодные (до 200 - 300 сек и, по-внлимому, более) колебания при землетрясениях (Tabuhiko, Keiko. 1994; Duda. Kaiser. FasthofT. 1989). При этом, методами ллиннопериодлой сейсмологии оказывается возможным с большой разрешающей способностью выполнять амплитудно - частотный анализ колебаний в широком спектре частот (Duda, Gupta. 1997; Kumar. Sarkar, Duda. 1997). Такие способы регистрации и анализа, в частности, и позволили выявить мультиплетный характер движений при некоторых главных толчках достаточно сильных землетрясений (Wesnousky. 1986; Wyss, Brune. 1967) и показать достаточно сложное строение их очагов (Plafker,Savage, 1970; Wu. Kanamori. 1973; Kanamori et. о!.. 1983; Ultihammcr, 1981; Steward, Kanamori. 1982; Иванов. Константинова, 198S; Соловьев, Кечекезян, 1985). Попытка классификации причин и условий возникновения медленных («молчаливых», «безмолвных» и т.д.) землетрясений и крина, проведенная в
12
работе (Bonafede, Boschi, Drasoni, 1983), практически ставит такие события в один ряд явлений с собственными колебаниями Земли.
Для объяснения цикличности сейсмического процесса предложена простая модель, в основе которой заложены представления о винтовой дислокации в упругой среде {Savage, Prescott, 1978). Объяснение цикличности сейсмического процесса дастся и в рамках клавишной .модели (Керчман, Лобковский, 1986). в которой сейсмофокальные блоки слабо связаны друг с другом (Лобковский, Варанов, 1984). Следует также отметить и то, что общепринятые в настоящее время модели очага землетрясения не в состоянии дать физически обоснованное объяснение отмечавшейся выше связи между сейсмичностью и режимом вращения планеты (Майк, Макдональд. 1964; Стейси. 1972).
Как видим, модель очага землетрясения, которая, очевидно, должна соответствовать (в пределе, при слабом взаимодействии между очагами землетрясений вьггекать из) концепции волнового сейсмического процесса тектонической природы, в то же время, во-первых, должна быть в состоянии описывать «элементарные» источники упругих колебаний, размеры которых лежат в широком диапазоне от очаг ов сильнейших землетрясений (первые сотни -тысяча километров) и их объединении в виде островных дуг (первые тысячи километров) ДО сейсмических поясов (десятки тысяч километров) и, по-видимому, всей планеты в целом. И, во-вторых, иметь геометрию, отличную ОТ ПЛОСКОЙ.
Таким образом, полисному сейсмическому процессу должна соответствовать новая, отличная от общепринятых «плоских», модель очага землетрясения, физическое содержание которой определяется таким свойством сейсмического процесса, как дальнодсйствуюший волновой характер взаимодействия «элементарных» сейсмофокальных объемов.
4. Было выявлено такое свойство сейсмических поясов, как seismic gaps - места, в пределах которых землетрясения с достаточно большой магнитудой не происходили в течение многих десятков - первых сотен лег (Федотов. 1965; Mogi, 196Sc; Kellcher, 1970, 1972: Sykes, 1971; Kellcher, Sykes, Oliver, 1973; Proceedings..., 1978; Kerr. 1979; Tokso/. ct al., 1979). При этом, концепция seismic gap оказалась достаточно плодотворной для целей долгосрочного прогноза мест очагов сильнейших землетрясений (Рнкнгаке. 1979; Моги. !988) и оиравдываемость такого прогноза для Островных дуг и континентальных окраин Тихого океана оказалась достаточно высокой, не менее 70-90% (Федотов, 1968; Федотов, Чернышев, 1987; Proceedings..., 1978; Соболев. 199.»}.
Анализ некоторых и» приведенных выше результатов исследований привел М. Бота -автора одного из первых обзоров по проблеме прогноза землетрясений (Bath. 1966). к выводу
13
о существовании между землетрясениями крупномасштабной связи, исследование которой необходимо проводить в рамках всей планеты, представляющей собою, то., единую напряженную систему. Миграционные цепочки М.Ботом отождествляются с волнами вполне определенной природы, по сути, как теперь уже ясно - тектонической. При этом им отмечено, что в случае, если известно значение скорости миграции, то можно с достаточно высокой точностью предсказать время последующих землетрясений в цепочке. Использовать эффекты миграции и повторяемости землетрясений для прогноза их времен и мест расположения очагов было предложено и в работе (Kisslinger, 1974).
Высокое значение оправдываемости указывает на то, что долгосрочный прогноз является более детерминированным, чем статистическим, а заложенные в его основе закономерности сейсмичности (т. е. seismic gap) - адекватными. Концепции seismic gap и очага сильнейшего землетрясения, по сути, являются близкими. Поэтому представляется, что установленное на практике свойство «адекватности», с математической точки трения, может указывать на принципиальную возможность разрешимости проблемы прогноза землетрясений в рамках волновой модели сейсмического процесса
Проведенный обзор показывает, что тема, вынесенная в название работы, является актуальной с точки зрения полноты изученности свойств региональной и мировой сейсмичности (1). геофизической среды (2), физики движений в очагах землетрясений (3) и их сейсмического прогноза (4).
Физическое описание процесса при переходе на новый масштабный уровень его рассмотрения часто сопровождается появлением качественно новых представлений. Например, переход к системе, содержащей большое количество частиц, как известно (Ландау, Лифшиц, 1964), может сопровождаться появлением новых своеобразных статистических закономерностей, которые пс удается свести к чисто механическим. В этой связи при разработке планетарной модели сейсмического процесса, включающей большое число «элементарных» сейсмофокальных объемов • очагов землетрясений, и ее осмыслении имеет смысл поискать и другие, не традиционные подходы к проблеме при построении новой механики очага землетрясения.
Цель работы. На основе исследования закономерностей сейсмичности Земли, комплексного анализа результатов такого исследования развитие физических представлений о сейсмическом процессе, хак волновом процессе планетарного масштаба.
Эта цель определила содержание основных задач, решаемых в данной работе:
I. На основе мировых и региональных каталогов землетрясений исследовать закономерности их пространственного, временного и энергетического статистических
14
распределений с ислыо выявления у них особенностей (особых точек) и формирования на их основе групп (классов) землетрясений с одинаковыми пространственно-временными свойствами их очагов.
2. Физическая интерпретация установленных особенностей, определение волновых параметров сейсмического процесса и, как результат - создание волновой модели сейсмического процесса.
3. В рамках построенной модели :
- осуществлена разработка сценариев развития сейсмического процесса, включая схемы долгосрочного сейсмического прогноза с указанием времен сильнейших землетрясений и мест расположения их очагов;
- проведено исследование взаимосвязи между сейсмическим процессом и другими планетарными явлениями;
* проведено построение новой механики очага землетрясения, соответствующей закономерностям сейсмического процесса.
4. Были рассмотрены некоторые вопросы волновой геодинамики литосферы планеты, объясняющие:
- форму островных дуг и континентальных окраин,
- взаимосвязь вулканизма и сейсмичности.
- механизм напряженного состояния коры.
Научная новизна. В данной работе н предшествующих публикациях автор! впервые:
- показано, что особенности пространственного, временного и энергетического статистических распределений землетрясений, по сути, определяют волновые свойства такой совокупности землетрясений - сейсмического процесса;
- на основе полученных автором данных разработана волновая модель сейсмического процесса, в рамках которой далыюдействуюший характер взаимодействия очагов землетрясений друг с другом объясняется ротационным движением Земли;
- на основе мировых данных между значениями скоростей миграции и волк деформации, с одной стороны, и величинами магнитуд землетрясений - с другой, установлены две корреляционные зависимое!и: одна из них. в диапазоне скоростей меньших со ~ 1 см/сек, соответствует «глобальным)» волновым движениям вдоль сейсмического пояса; вторая, при больших скоростях, описывает «локальную» миграцию форшоков и афтершиков в очагах землетрясений;
15
-эти экспериментальные зависимости между скоростями волновых движений и магнитудами землетрясений в рамках предложенной в работе модели сейсмического процесса проинтерпретированы как возможные волновые решения; R рамках таких представлений «граничное» значение с0 ~ I см/сек полностью определяется параметрами модели и, но сути, является характерной скоростью блоковой среды сейсмического пояса (сейсмического процесса);
- разработана новая, соответствующая волновым и ротационным свойствам сейсмического процесса модель очага, в рамках которой само землетрясение является результатом взаимодействия тектонической волны с ссйсмофокальным блоком; разработанная модель открывает принципиально новые возможности решения проблемы прогноза землетрясений;
- установлена природа Чандлеровской нутации полюса Земли, которая количественно представлена как суперпозиция движений, соответствующих «нулевым» модам собственных колебаний сейсмофокальных объемов сейсмических поясов (как целых).
Научная и практическая ценность. Представленные в диссертационной работе результаты получены автором при выполнении фундаментальных научно-технических проблем : «Разработать методы прогноза мест и времени сильных землетрясений, цунами и вулканических извержений на основе изучения сейсмических и геофизических полей....» (тема ГКНТ 0.74.03.01. Распоряжение Президиума АН СССР N10103-875 от 27.05.81 г.) и «Исследование физических процессов в очагах землетрясений и вулканов, сейсмичности и глубинного строения сейсмогенных и вулканических структур с нелыо создания теоретических основ прогноза землетрясений и извержений вулканов на Камчатском геодинамнческом полигоне», «Выявить основные структурные закономерности зон сочленения континентов и океанов и разработать гсодннамичсскнс модели развития этих зон; обобщить данные по стростило и истории формирования островных дут, глубоководных желобов и краевых морей Дальнего Востока» (тема ГКН'Г 0.74.01: 02.08 И!). Материалы, полученные автором, изложены в монографиях, написанных совместно с Семенном И. 11.. Широковым I3.A. «Землетрясение будет завтра» (Пстропавлоаск-Камчатский, 1989) и совместно с Дроздюком В.Н., Семенном Н.В., Широковым В.А. «К землетрясению без риска» (Пстропавловск-Камчатский, 1997), в многочисленных тематических сборниках, в том числе опубликованных под редакцией автора «Проблемы сейсмичности Дальнего Востока» (Пстропавловск-Камчатский, 2000) и автора совместно с Гордееным Е.И.. Ивановым Б.В. «Кроноикос землетрясение 5 декабря J997 года. Предвесгникн. особенности.
16
последствия» (Петропавловск-Камчатскпй, 1998). Теоретические к методические разработки автора но прогнозу землетрясений используются при работе экспертных и научных сонетов по прогнозу землетрясений и извержений вулканов при Администрации Камчатской области, Институте вулканологии ДВО РАИ и Камчатской опытно-методической сейсмологической партии ГС РАН. Сценарий развития сейсмического процесса использовался при учениях, проводимых МЧС России на Камчатском прогностическом полигонов 1997 г.
Фактический материал. В основу диссертации положены материалы инструментальных сейсмологических наблюдений, полученных мировой и региональными сетями сейсмических станций в XX веке, макроссйсмнческие данные о землетрясениях севсро-запалной части Тихого океана, происшедших в VII - XX веках и данные наблюдений Мировой службы широты, полученные в XIX - XX вв.
Основные защищаемые положения.
1. Показано, что совокупность землетрясений в пределах сейсмического пояса, рассматриваемая в пространстве, во времени и по величине сейсмической энергии, может быть представлена как волновой процесс, в котором взаимодействие очагов землетрясений имеет далыюдействующий характер.
2. Опираясь на представления о движущихся (поворачивающихся) «элементарных») сейсмофокальных блоках на примере окраины Тихого океана разработана волновая модель сейсмического процесса, в рамках которой оказалось возможным дальнодсйствующий характер взаимодействия очагов землетрясений друг с другом связать с ротационным .движением Земли.
3 На основе мирового сейсмологического материала установлены корреляционные зависимости между скоростями миграции землетрясений и волн деформации, с одной стороны, и значениями магнитуд землетрясений - с другой.
4. 13 рамках разработанной автором модели сейсмического процесса получены следующие результаты.
- Показано, что тектоническая природа сейсмического процесса в пределах окраины Тихого океана (и других сейсмических поясом планеты) проявляется в виде миграции сейсмичности н волн деформации
- Показано, что установленные на основе мировых данных «глобальные» и «локальные» корреляционные зависимости между скоростями волновых движений и
17
значениями соответствующих им сейсмических энергий, являются соответственно «солитонной» и «экентонной» ветвями решений модельного уравнения.
- Разработана новая, соответствующая волновым и ротационному свойствам сейсмического процесса механика очага землетрясения, в рамках которой само землетрясение является результатом взаимодействия тектонической уединенной волны с «элементарным» ссйсмофокальным блоком. В рамках таких представлений в результате взаимодействия тектоническая уединенная волна (солитон) распадается на кольцевую дислокацию (лисклинацшо) и экентон; в случае равенства длит пи волны тектонического солитона протяженности очага землетрясения значение скорости экеитона равно скорости вспарывания, которая, как известно (и в соответствии с полученными в работе данными), близка скорости поперечной сейсмической волны.
- Установлена природа Чандлсровской нутации полюса Земли, которая количественно представлена как суперпозиция движений, соответствующих «нулевым» модам собственных колебаний сейсмофокальных обт.емов сейсмических поясов (как целых).
- Для северо-западной части Тихого океана (и Австралии) построены схемы долгосрочного сейсмического прогноза сильнейших землетрясений, включающие указание времен главных толчков и мест расположения их очагов. Составлен возможный сценарий развития форшокового и афтершокового нроисссов в очагах сильнейших японских, курильских и камчатских землетрясений.
5. В рамках предложенных модельных представлений дано объяснение : взаимосвязи вулканизма и сейсмичности, форме островных дут и континентальных окраин Тихою океана, механизму напряженного состояния земной коры планеты. Тем самым заложены основы волновой геодинамики литосферы планеты.
Публикации и апробации работы.
По теме диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано болсс 60 работ. Наиболее полно ее основные положения отражены в серии статей, опубликованных в отечественных (Викулин, 198!; 1983; 19S4; 1986а.б; 1987, 1989. 1990. 1992а,б,с.д; 1994; 1996; 1997. 1998а.б; 1999; 2000а,б: Викулин и др., 1983; 1985; 19S6. 1987, 1989. 1996, 1997. 1998а,б; 2000а,б; 2001) и зарубежных (Vikulin, 1992, 1993, 1995: Vikulin ct al. 1992; 1993; 1995a.b,c; 1996; 1997) изданиях, а также в многочисленных коллективных mohoiрафиях и сборниках. В статьях, опубликованных в соавторстве, представлены результаты исследовании, проведенных под руководством и с непосредственной обработкой и интерпретацией автора. В этих работах автором поставлены научные задачи, получены и проанализированы
18
рсзультазы наблюдений, проведено обобщение полученных результатов и сделаны окончательные выводы.
Основное содержание работы и отдельные се части представлялись на научных сессиях Дальневосточной секции Междуведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (МСССС) при Президиуме АН СССР (Магадан, 1980; Петропавловск-Камчатский, 1981; Владивосток, 1982; Южно-Сахалинск, 1984; Магадан, 1985; Пегропавловск-Камчатский, 1986, Южно-Сахалинск, 1991), научной сессии Сибирской и Дальневосточной секции МСССС (Иркутск, 1988), всесоюзной конференции совместно с VIII научной сессией Дальневосточной секции МСССС (Владивосток, 1989), Всесоюзных совещаниях (Звннигород, 1983; Горький. 1984) и международном симпозиуме (Новосибирск, 1989) по цунами, VI всесоюзном вулканологическом совещании (Петропавловск-Камчатский, 1985), Всероссийской межрегиональной конференции (Иркутск, 1997), научной конференции «Современная сейсмология : достижения и проблемы» (Москва, 1998), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Новая карта сейсмического районирования ОСР-97, се роль и значение для Петропавловска-Камчатского и области (Петропавловск-Камчатский. 1999), международных симпозиумах но геодинамике глубоководных желобов Тихою океана (Южно-Сахалинск, 19S7), «Геодезия - сейсмология : деформации и прогноз» (Ереван. 1989). 7 и 8 международных семинарах по прогнозу землетрясений (Бангкок, 1992; Иран, 1993), 2 и 4 международных междисциплинарных научных симпозиумах «'Закономерности строения и эволюции Геосфер» (Хабаровск, 1994, 1998), международных конференциях по плитовой тектонике (Москва. 1993, 1995), российско-японском симпозиуме «Камчатка : развитие и окружающая среда» (Петропавловск-Камчатский, 1995), международных конференциях по сейсмической безопасности урбанизированных территорий (Петропавловск-Камчатский, 1996; Владивосток, 1997), по вопросам сейсмологии, вулканологии и процессам субдукции камчатско-алеутского региона (Петропавловск-Камчатский, 1998), «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 1998), «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Иетербугр, 1998), российско-японском семинаре «Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений» (Хабаровск. 2000). научных конференциях, сессиях и семинарах в Институте вулканологии ДВО РАН, Камчатской опытно-методической сейсмологической партии ГС РАН, Институте вулканической геохимии и геофизики ДВО РАН, Институте физики Земли РАН, Институте океанологии РАН, Институте механики МГУ, Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН (Южно-Сахалинск), Институте физики Санкт-Петербургскою Университета»
19
геофизики Университета г. Гамбурга (Германия), Институте геофизики АЛ Болгарии (София), Центральной сейсмологической обсерватории Германии (Эрланген. Германия).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 'ияырех глав, заключения, шести приложений и списка литературы. Полный объем диссертации составляет 224 стр.. в том числе 44 рис.. 26 табл.. 67 стр. занимают Приложения и список литературы, который насчитывает 390 названий.
Диссертация выполнена п Камчатской опытно-методической сейсмологической партии Геофизической службы РАН.
Благодарности. В первую очередь автор признателен соавторам научных публикаций, которые помогали ему при получении результатов, положенных в основу этой работы : С.А.Федотову, К.Ч.Уну, И.П.Чернобаю, В.И.Журавлеву, С.А.Никулиной, Б. В. Баранову, Л.ИЛобковскому, С.Я.Гериенштейну. И.В Некрасову. В.К.Г'усякову, А.Г.Иванчину. М.Н.Луиевой, В.Г.Быкоиу. И.В.Мелекесцеву, А.Н.Кролевцу, С. Дуде и другим. Автор также признателен В.С.Куксснко, В.Н.Николаевскому, А.М.Артамонову, Е.И.Гордссву, К. Шимазакс, СВ.Мишину, Г.Л.Коффу, И.Н.Чссноковой, В.А.Широкову. В.М.Павлову,
В.А.Салтыкову. А.И.Ивлщенко. Д.А.Поплавскому. С.М.Сапрыгнну и др. за поддержку работы, обсуждение ее результатов и доброжелательное отношение.
20