CC BY
126
Деструкция литосферы и физическая мезомеханика
С.В. Гольдин
Институт геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
В основу статьи положен доклад «Сейсмология, геодинамика и мезомеханика», прочитанный автором на международном семинаре «Мезомеханика-2000». Главной целью доклада было привлечь внимание специалистов по физике прочности и разрушения к состоянию дел в сейсмологии и смежных областях геодинамики. Аналогия особенностей процесса разрушения, которые были выявлены в последние два десятилетия в рамках физической мезомеханики, и явлений, которые наблюдаются в сейсмически активных зонах, несомненна. Использование этой аналогии (в рамках концепции подобия процессов разрушения на разных масштабных уровнях) должно, несомненно, способствовать развитию сейсмологии. Вместе с тем, между процессами разрушения в малых образцах и процессами в многоуровневой геосреде с большими запасами предварительно накопленной энергии есть и большая разница, которую также надо учитывать. Статья несколько расширена по сравнению с докладом. Теперь она в какой-то мере адресуется (помимо механиков) и сейсмологам, и специалистам по геодинамике, собирающимся использовать достижения мезомеханики.
1. Введение
В течение второй половины минувшего столетия были выяснены две важнейшие особенности в современной «жизни» Земли: 1) механические перемещения вещества Земли происходят на любых пространственных и временных масштабах, 2) доступное измерению вещество земной коры образует блочно-иерархическую структуру, являющуюся результатом процессов деструкции.
В связи с этим возникает ряд вопросов, окончательный ответ на которые предстоит дать в наступившем столетии. Первый: обладает ли процесс деструкции свойством подобия на различных масштабах? Второй: связаны ли с блочной структурой специфические движения, обладающие специфическими временами и скоростями распространения? Третий: каким образом происходит активизация (накопление энергии) в блочных средах? Все три вопроса подразумевают некий общий вопрос, который можно сформулировать так: является ли блочная структура геологической среды существенной ее характеристикой, означающей кардинальное отличие таких сред от сред, не обладающих блочной структурой? Данная статья представляет попытку дать предварительные ответы на поставленные здесь вопросы в
связи, главным образом, с протеканием сейсмического процесса в литосфере. Хотелось бы отметить еще одно обстоятельство: говоря о геодинамике, мы имеем в виду процессы, характерные времена которых либо допускают измерение перемещений имеющимися инструментальными средствами, либо могут быть оценены на основе исторических свидетельств. Таким образом, характерные времена простираются от весьма коротких (скажем, время образования единичной трещины) до нескольких тысяч лет. Часто эту область геодинамики называют «современной». Эти процессы сильно отличаются от вязкого течения, описываемого уравнением Навье-Стокса, которое нашло широкое применение при описании геодинамических процессов прошлого. Вязкое течение во многих случаях может оказаться неплохой моделью и для описания определенных современных процессов (скажем, крипа или движения магмы в подводящем вулканическом канале), но наиболее важные черты современных процессов выражаются такими терминами, как хрупкость и пластичность. Понятно, что и в далеком геологическом прошлом были такие же «современные» процессы. И вообще, вязкое течение в большинстве случае есть совокупное свойство длинного ряда «современных» процессов.
© Гольдин С.В., 2002
2. Блочная структура литосферы
Вряд ли блочная структура имеет абсолютно универсальный характер. В теле Земли (в пределах сейсмо-генных зон) выделяются блоки и слои, резко отличающиеся по сейсмической активности. Известно, в частности, что наиболее активные в сейсмическом смысле слои земной коры располагаются на глубинах 10-20 км. В районах островных дуг и глубоководных впадин имеются сейсмогенные зоны на глубинах 80-100 км и 500700 км. (Кстати, они объясняются «затягиванием» пород коры на большую глубину в зонах субдукции.) Если мы принимаем, что блочная структура является существенной характеристикой среды, то мы должны принять также и то, что само проявление блочной структуры в различных частях Земли различно. Чаще всего меняется интервал масштабов, на которых блочная структура выражена. Это может быть интервал, простирающийся от характерных размеров дислокаций и междислокацион-ных расстояний в кристаллической структуре и заканчивающийся характерными размерами зерен и пор, либо же заканчивающийся блоками размером в сотни и тысячи километров.
Следующей характеристикой блочной структуры является ее самоподобие, то есть наличие фрактальности. Наиболее ярким проявлением фрактальности сейсмического процесса является закон Рихтера-Гутенберга (закон повторяемости), состоящий в линейной связи величины, пропорциональной логарифму выделяемой при землетрясении энергии, и логарифма частоты землетрясений с данной энергией. В последние годы было установлено, что фрактальные размерности пространственной структуры разломов в земной коре и ко-ровых землетрясений практически совпадают [1, 2]. Связано ли это с тем, что процесс образования разломов и сейсмическая активность суть единый процесс, либо с тем, что землетрясения происходят в среде с «готовой» структурой разломов, еще не ясно.
Фрактальность системы разломов означает, что, по крайней мере, в активных частях коры самоподобие блоковых структур наблюдается в интервалах от метров до сотен километров. Есть свидетельства фрактальности на интервалах «метры - десятки и сотни метров» — по геофизическим диаграммам в скважинах [3, 4].
Имеются и косвенные свидетельства фрактальности, связанные со свойствами сейсмических волн. Известно, что неоднородности, размеры которых превышают длину волны, вызывают явление дифракции, искривление луча, преломление и отражение волн. Эти явления описываются в рамках геометрических асимптотик типа лучевого метода. Неоднородности много меньшие, чем длина волны, влияют на характер самой волны (ее форму, спектральный состав, характер затухания). Если бы среда (в среднем) была не самоподобна, то волны, регистрируемые на коротких расстояниях (в скважинных
зондах, в инженерной сейсмике), существенно отличались бы от волн, регистрируемых на больших расстояниях (сейсморазведка, глубинное сейсмическое зондирование, сейсмология), и точность геометрических приближений была бы весьма различной. Однако этого не происходит. Точность геометрической сейсмики примерно везде одинакова, и форма волн (при одинаковых условиях возбуждения) заметно не отличается. Волна «осредняет» неоднородности мелких масштабов с радиусом осреднения, связанным с длиной волны. По-видимому, можно выдвинуть следующий принцип делимости масштабов: для любой длины волны X существует такая характерная длина 10, что среда эффективно однородна при X < 10 и неоднородна при X > 10.
В силу того, что в распространении сейсмических волн участвуют силы, действующие на межатомных расстояниях, подобие, обнаруживаемое свойствами сейсмических волн, начинается от характерных размеров кристаллических решеток.
Другое важное свидетельство связано с законом поглощения волн. Известно, что в очень многих экспериментально наблюдаемых ситуациях коэффициент поглощения объемных сейсмических волн зависит от частоты, а скорость распространения этих волн от частоты не зависит [5, 6]. И то и другое противоречит условию причинности в рамках теории линейных преобразований. Хотя предположение о строгой линейности процесса распространения сейсмических волн в последние 20 лет справедливо подверглось серьезной критике [7], все же у большинства специалистов нет сомнения в том, что в существенном, по крайней мере вдали от источника, линейность в большинстве случаев весьма удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными для консолидированных сред. Но если это так, то наблюдаемые факты обязаны быть проинтерпретированы в рамках линейной теории распространения сейсмических волн. Оказывается, имеет место теорема:
Если линейная среда самоподобна, то коэффициент поглощения Р(ю) линейно зависит от частоты, а скорость распространения с от частоты не зависит.
Самоподобие понимается здесь в следующем смысле. Пусть при х = 0 возбуждается плоская волна, имеющая форму /(0, при этом на расстоянии х регистрируется колебание/(}, х). Среда самоподобна, если при возбуждении вида §(0 = /(а() на расстоянии х регистрируется колебание , х) = /(а^ ах).
Доказательство очень просто. В самом общем случае линейная среда имеет спектральную характеристику вида ехр(гР(ю)|х| - х/с((я)). Сигнал х) на расстоянии
х определяется формулой:
g(^ х) = — 1 е"Р(ю)|х|6(ю) -х/с(ю))ёю,
2 п
где G(rn) = Ttg(t). Но из g(t) =f(at) следует, что G(rn) = = (]/ a)F (ю/ a), где F (ю) = Tf (t). Положим u = ю/ a, тогда
g(t, x) = 2- Je-e(au)xF(u) e!'u(at-ax/c(au))du.
Легко увидеть, что условие самоподобия выполнено тогда и только тогда, когда P(au) = aP(u), c(au) = c(u). Но это возможно только в том случае, когда Р = ha и с = = const.
Как же быть с принципом причинности? Не существует физического эксперимента, в котором мы могли бы наблюдать все частоты одного и того же сигнала. Мы наблюдаем низкие частоты на больших расстояниях, а высокие — на коротких. Поэтому весь спектр частот наблюдается только для различных экземпляров самоподобной среды. И в этом случае можно сформулировать утверждение о делимости масштабов, аналогичное тому, которое было сформулировано для геометрических законов распространения в самоподобной среде: для любой длины волны X в реально регистрируемом диапазоне частот (Ю], ю2) зависимость коэффициента поглощения от частоты в типичном случае линейна.
Из доказанной теоремы следует, что среда, которая одновременно является и строго линейной и строго самоподобной, не существует, поскольку это противоречит принципу причинности. Ну что же, мы и без этого знаем, что среда не является строго линейной. И вряд ли является точным математическим фракталом. Всякая модель есть только модель. Доказанная теорема претендует только на то, что свойство подобия находится в соответствии с типичными свойствами среды, определяемыми в рамках линейной теории.
На самом деле я не предполагаю, что линейная зависимость коэффициента поглощения от частоты обязана наблюдаться в каждом фрагменте литосферы. И более того, я сомневаюсь в том, что может быть найден реально действующий конкретный физический механизм, который воспроизвел бы такую зависимость. Здесь уместно привести аналогию с гауссовым распределением вероятностей. Его широкое применение имеет только одно разумное объяснение: если действует большое число аддитивных факторов, среди которых нет какого-то одного выдающегося (по вкладу), то нормированная сумма этих факторов имеет распределение, близкое к гауссову. Примерно так я и понимаю смысл соотношений Р = ha и с = const. Это результат совокупного действия большого числа механизмов поглощения и факторов, влияющих на эти механизмы на различных масштабных уровнях.
Понятно, что всегда есть участки с нетипичными свойствами, где может нарушаться и то, и другое соотношение. Скажем, это могут быть нефтегазовые природные резервуары, для которых давно уже отмечаются аномалии поглощения и наличие дисперсии скорости.
Такие же аномалии могут отвечать метастабильному состоянию, предшествующему разрушению. Замечу здесь же, что аномальные характеристики отдельных блоков, как правило, связаны с их активизацией (то есть со способностью накапливать потенциально освобождаемую энергию).
Приведя аргументы в пользу самоподобия среды на определенных пространственных интервалах, необходимо привести аргументы и в пользу того, что самоподобие не обязательно проявляется универсально для всех пространственных интервалов произвольного блока литосферы. В первую очередь, следует объяснить контрасты сейсмической активности в различных слоях сейсмоактивных зон. Исключительно важный вклад в объяснение этого явления сделан в работе В.Н. Николаевского [8]. На основе анализа экспериментов о поведении различных горных пород при больших температурах и давлениях им сделаны следующие выводы. Выше корового сейсмогенного слоя находятся наименее консолидированные породы, которые «не держат» высоких напряжений. У них высокая скорость релаксации, и материал релаксирует раньше, чем разрушается. Трещины в этом слое имеют преимущественно вертикальную ориентацию. Наиболее протяженные трещины образуются преимущественно благодаря крипу, нежели хрупкому разрушению. В сейсмогенном слое в основном преобладает хрупкое разрушение с образованием трещин и разломных зон в широком диапазоне пространственных масштабов (от микроуровня до сотни-двух километров). В низах коры сопротивление сил сухого трения становится выше, чем прочность пород. Материал разрушается в массиве с образованием только малых трещин. На геологическом языке — этаж катаклаза. Николаевский называет этот процесс псевдопластичностью. Ниже коры имеет место истинная пластичность, когда пластическое течение происходит преимущественно в зернах кристаллов.
3. Деструкция и физическая мезомеханика
Уместно здесь вкратце остановиться на основных положениях физической мезомеханики [9], которые мы собираемся сопоставлять с известными фактами современной геодинамики и сейсмологии. Первое положение состоит в том, что процесс разрушения развивается как многоуровневый (в смысле пространственных масштабов) процесс. Уровни, занимающие промежуточное положение между микро- и макроуровнями, относят к мезоуровням. На мезоуровнях развиваются специфические мезоэлементы, которые и являются основными носителями деформационного процесса на стадиях, предшествующих самому разрушению. Основные типы мезоэлементов: полосы пластического течения и относительно жесткие домены с малым развитием сдвиговых деформаций. Второе положение состоит в том, что главные типы деформаций на мезоуровне суть сдвиг
плюс вращение. Сдвиг концентрируется в полосах пластического течения, вращение — в относительно жестких доменах, испытывающих помимо этого и поступательное движение (трансляцию). Если хотя бы один из двух близких доменов испытывает автономное вращение, то в приконтактных областях неизбежно возникают зоны сжатия и зоны растяжения. Строго говоря, альтернативы — течение в полосах пластичности закручивает смежные домены или, напротив, жесткие домены создают зоны растяжения, куда устремляется пластичный материал — неразличимы. Ведь мезострукту-ра — это проявление турбулентности в твердом теле. А для турбулентного течения нельзя сказать, какие из его элементов — струи или завихрения — являются ведущими.
Поскольку предел прочности на растяжение всегда ниже, чем на сжатие, то в зонах растяжения процессы разрушения должны быть особенно интенсивны. Итогом деформационного процесса на каждом мезоуровне является образование трещин соответствующего масштаба.
Имеет смысл специально выделить общий принцип локализации деформации, который проявляется в подавляющем числе экспериментов, связанных с сильным нагружением материалов.
Особая роль в мезомеханике придается поверхности, ограничивающей тело, и внутренним границам раздела механических свойств. Во-первых, вблизи поверхностей чаще всего и располагаются концентраторы напряжения. Во-вторых, разрушение начинается с потока дислокаций, направляющихся во внутренние точки среды. С этим связан небольшой сброс напряжения, которое затем вновь увеличивается и т.д. Если приповерхностный слой отличается по своим свойствам от материала, слагающего тело (как это имеет место для Земли, в которой приповерхностным слоем является земная кора), то в нем возникают изгибные пластические волны деформации, с которыми несомненно связаны многие структурные элементы коры (в частности, складки).
Если физическая мезомеханика, главным образом, стремится осветить в среде процессы, непосредственно предшествующие образованию трещины, то кинетическая теория трещинообразования [10] описывает статистику возникновения трещин. В частности, она обосновывает принцип стадийности трещинообразования, означающий, что в начале образуются мелкие трещины и только после того, как они равномерно заполняют деформируемое пространство, начинается стадия образования более крупных трещин, локализуемых в узких полосах среды.
Выявляемые в рассмотренных физических концепциях при подготовке любого акта разрушения закономерности (с учетом самоподобия) позволяют более оптимистично смотреть на возможности прогноза — в особенности среднесрочного — землетрясений, нежели
это принимается в модной сейчас концепции критичности. Естественно, что для любого заданного масштаба 10 только разрушения, сопоставимые по размерам с 10, могут быть предсказаны, при условии, конечно, что наблюдательная сеть, расположенная вблизи границы области подготовки, сама имеет детальность и масштаб, соотнесенные с 10. Разумеется, акты разрушения, размеры которых не менее чем на порядок меньше 10, могут рассматриваться с позиции критичности, будучи, как единичные явления, непредсказуемыми. Однако их средние характеристики изменяются вполне определенным образом, поэтому процесс подготовки землетрясений в целом имеет важные детерминистические черты. Можно высказать следующую гипотезу (принцип) о делимости масштабов: для всякой области размера 10 существует акт разрушения (землетрясение) определенного энергетического класса (и выше), подготовка которого может рассматриваться с позиций, где детерминистические представления играют важную роль, и предсказание которого с той или иной степенью неопределенности (в отношении и времени и места) возможно. Тогда как акты разрушения меньших масштабов укладываются в концепцию нестационарного случайного процесса, для которого предсказание индивидуальных событий невозможно.
Обратим внимание на то, что термины «пластичность», «пластическое течение» весьма многозначны. Они могут относиться и к специфической диаграмме «напряжение-деформация», характеризующей поведение некоторого образца «в целом». Между тем, в образце образуются и полосы собственно пластического течения, и жестко деформируемые домены, которые деформируются по-разному. Эти же термины могут характеризовать поток дислокаций в отдельном зерне (монокристалле). Они могут характеризовать и «течение» материала, обусловленное возникновением и залечиванием большого числа трещин.
Также многозначным является понятие «крипа». Если термин «пластичность» скорее соотносится с физическим состоянием вещества, то понятие «крип» скорее характеризует результат очень медленного течения материала, происходящего на мезоуровнях, сопоставимых с размерами зерен, в условиях постоянной (и очень малой) скорости деформации. Скорость деформации столь низка, что материал полностью релаксирует на указанных мезоуровнях и хрупкого разрушения, по крайней мере с образованием крупных трещин, не происходит. Процесс образования трещин имеет перколяционный характер. Но понятие крипа может иметь отношение и к образованию крупных трещин. Существуют два сильно отличающихся механизма развития трещин. Первый (хрупкий), когда трещина развивается по мало нарушенному материалу с высокой скоростью (равной или близкой к скорости рэлеевских волн). Второй механизм — это развитие трещины по предварительно уже возник-
60° 120° 180° 120° 60°
Рис. 1. Глобальное распределение очагов сильных землетрясений по инструментальным данным за 1961-1967 гг.
шей перколяционной сети мелких трещин. В определенных ситуациях развивающаяся трещина сама способствует развитию системы мелких трещин благодаря концентрации напряжений у вершины трещины. В этих случаях скорость развития трещины может быть исключительно низкой, сопоставимой со скоростью движения геологических объектов в геологическом же времени.
4. Деструкция литосферы на планетарном и региональном уровнях
Постараемся рассмотреть, в какой мере указанные выше принципы проявляются в планетарной и региональной структуре литосферы.
Прежде всего вспомним, что существовавший более миллиарда лет назад суперконтинент раскололся, в результате чего образовались ныне существующие материки. Характер этого разрушения, как и последовавшее за ним движение континентов, предполагают наличие глобальных растягивающих напряжений. Это согласуется с расчетами Трубицына [11], согласно которым раскол произошел из-за перегрева континентальной литосферы под суперконтинентом. Уместно заметить здесь, что, согласно принципу стадийности трещинообразова-ния, расколу суперконтинента должно предшествовать образование большого числа «малых» трещин, суть древних рифтовых зон, относительно равномерно распределенных по всему суперконтиненту.
Теперь посмотрим на карту сейсмичности нашей планеты (рис. 1). Великолепно видны планетарные зоны (полосы) концентрации сейсмической активности. Можно ли их интерпретировать как полосы пластического
течения, которые хорошо видны на типичных картинах состояния «предразрушения» в образцах (рис. 2)? Ответ, безусловно, положительный. Но сейсмичность означает, что, по крайней мере, значительная часть «плас-
Рис. 2. Фрагментация на стадии «предразрушения» плоского образца поликристаллического свинца при знакопеременном изгибе, Т = = 293 К, х 50 [9]
тического» течения реализуется посредством хрупкого разрушения геоматериала в сейсмогенных слоях литосферы. Вне сейсмических поясов располагаются крупные плиты, испытывающие (в целом) трансляцию и вращение.
Вернемся к рисунку 1. Исключительно высокий уровень концентрации землетрясений в относительно узких полосах, имеющих планетарный характер, означает, что подавляющая часть выделяемой сейсмической энергии обусловлена глобально действующими факторами. Это касается и глобального сейсмического кольца вокруг Тихого океана, и зоны Срединного Атлантического хребта, вытянутого вдоль меридиана. В современной геодинамике имеется относительная ясность в отношении тех процессов, которые происходят в этих зонах. В частности, срединный океанический массив — классическая рифтовая зона — есть зона растяжения литосферы, в которой происходит процесс образования коры океанического типа (за счет мантийного материала). Тихоокеанское кольцо обусловлено взаимодействием океанических и континентальных плит: относительное горизонтальное перемещение плит и «подныривание» океанической плиты под континентальную (явление субдукции).
В частности, сейсмогенный разлом Сан-Андреас образовался за счет смещения Северо-Восточной Тихоокеанской плиты относительно Северо-Американской. Высокая сейсмичность глубоководных желобов на западной окраине Тихого океана обязана образованию зон субдукции. Однако причины, которые обуславливают конкретное проявление этих механизмов, не столь ясны. Можно ли трактовать структуру Срединного Атлантического хребта с позиции разрушения? Ведь геологический смысл происходящих в нем процессов совсем иной: созидание океанической коры, а не ее разрушение! Параллельность хребта очертаниям смежных континентов ясно показывает, что данная рифтовая зона появилась в результате разрушения Пангеи и является современным проявлением древней зоны разрушения. Возникла ли она благодаря локализации деформации и неустойчивости, обусловленной тепловым воздействием и напряжением, действующим на территории, сопоставимой с размерами возникшей структуры, либо благодаря «прямому» проплавлению этой области локализованным мантийным потоком предстоит еще выяснить. Скорее всего, локализация температурной аномалии сама является следствием локализации зоны разрушения (см. ниже).
Еще больший интерес вызывает субширотный пояс сейсмичности, пересекающий весь Евроазиатский континент. Какова причина его появления? Вряд ли этот феномен может рассматриваться как продолжающийся распад остатков Пангеи, поскольку определенно данная полоса не является областью преимущественно растягивающих напряжений. Ряд видных геодинамиков свя-
зывает геодинамическую активность большой части этой полосы с влиянием Индо-Евроазиатской коллизии. Не вызывает сомнения то, что такое влияние на самом деле наличествует. Однако оно не может объяснить широтную ориентацию этой полосы и ее положение на континенте. Скорее всего, влияние коллизии именно потому и ощущается здесь, что данная полоса предварительно была ослаблена благодаря действию других факторов. На наш взгляд, наиболее вероятно, что этот пояс сейсмичности обусловлен постоянно действующими астрономическими факторами, включающими чандлеровы колебания оси вращения Земли, кориолисовы ускорения и приливные волны в твердой оболочке Земли. Как показали недавние расчеты Б.В. Левина и В.А. Павлова [12], переменная составляющая соответствующих касательных напряжений оказывается максимальной на широте 35°, фактически же наблюдаемая полоса на западе концентрируется вблизи 40°, а на востоке — где-то в окрестности 30° (но имеется и более тонкая полоска, примыкающая к основной в районе Тянь-Шаня и отходящая к северо-востоку до широты 55°). По величине выделяемой энергии астрономический фактор сопоставим с выделяющейся при землетрясениях суммарной энергией. Если совпадение широт не случайно, то мы имеем дело с классическим процессом разрушения под влиянием длительно действующей нагрузки, в которую, помимо периодических астрономических факторов, нужно включить, конечно, и другие источники энергии. Не исключено, что длительное влияние астрономических факторов, представляющих высокочастотную (в масштабе геологического времени) вибрацию, лишь ослабляет жесткость литосферы в этой полосе и способствует более сильному проявлению геодина-мических факторов тектонического происхождения.
Перейдем от планетарного масштаба к масштабу континента. На рис. 3 приведена рельефная карта большей части Евроазиатского континента. Участки горообразования — это места вязко-пластического течения масс. Неслучайно эти участки в большинстве своем совпадают с сейсмоактивными зонами. Также не случайно, что «старые» горы (в которых процесс горообразования прекратился) не сейсмоактивны. Проявляется ли на этом масштабе мезоструктура? Да, мы видим, что пояса преимущественно пластического течения перемежаются с участками без видимых следов сдвигового деформирования. Типичные мезоэлементы этого типа: Таримская впадина, район озера Убсу-Нур (они помечены цифрами 1 и 2 на рис. 3). Если основные особенности разрушения применимы и в данном масштабе, то эти мезоэлементы (микроплиты) должны испытывать вращение + трансляцию. Но тогда неизбежно должны возникать зоны растяжения с особенно интенсивным проявлением деструкции. Моя гипотеза состоит в том, что зона растяжения Телецкого озера возникла благодаря вращению микроплиты, сформировавшейся вокруг
О 20 40 60 80 100 120
Рис. 3. Теневой рельеф Альпийско-Гималайского орогенического пояса
Рис. 4. Карта эпицентров землетрясений Алтае-Саянской области с магнитудой М > 3.5 за 1963-1991 гг.
Рис. 5. Район Эгейского моря
озера Убсу-Нур. Наличие холодной (жесткой) литосферы под этим участком коры подтверждается результатами телесейсмической томографии [13]. На карте сейсмичности Алтае-Саянской области (рис. 4) этот район характеризуется почти полным отсутствием землетрясений.
Можно также предположить, что и Байкальская риф-товая зона возникла в результате вращения Амурской плиты.
На следующем рисунке приведен район Эгейского моря (рис. 5). Здесь также выделяется мезоэлемент, содержащий помимо моря прилегающие участки Греции и Западной Турции. Об этом говорит и характер современных движений (см. стрелки на приводимом рисунке) и наличие пластичных слэбов вокруг рассматриваемых мезоэлементов, с которыми связаны основные земле-
трясения в этом наиболее сейсмичном районе Европы. Похожие структурные элементы возникают в экспериментах по разрушению образцов при их статическом растяжении (рис. 6).
Особенностью самоорганизации материала на стадии, непосредственно предшествующей разрушению, является его фрагментация, то есть появление четко выраженных блоков, разделяемых контактными зонами. Сетка разломов в любом активном сейсмическом районе (см., например, схему разломов в Байкальской рифто-вой зоне на рис. 7) напоминает сегментацию образца с образованием многочисленных несплошностей (“хрупких разломов”) в приграничных зонах между движущимися относительно друг друга конгломератами зерен в поликристалле при его ползучести (рис. 8).
Рис. 6. Мезоструктуры в зоне разрушения однородного плоского образца (а, б) или при образовании трещин в упрочненном поверхностном слое (в) при статическом растяжении плоских образцов: а — результаты численного моделирования [14], б, в — эксперимент [15, 16]
Рис. 7. Схема крупных разломов в южной части Байкальской рифтовой зоны
5. Некоторые особенности процесса деструкции на региональном уровне. Рифтовые зоны
Если в предыдущем разделе я стремился обратить внимание на общие черты, связывающие процесс деструкции
Рис. 8. Фрагментация и образование «хрупких разломов» в зонах интенсивной пластической деформации на границе между конгломератами зерен A, В и С, D, самосогласованно движущимися относительно друг друга в поликристалле свинца при его ползучести; T = = 328 К, стадия предразрушения; х 400 [17]
литосферных образований и особенности деструкции образцов в лабораторных экспериментах, то сейчас речь пойдет скорее об обратном — о том, что отличает геологическую среду на региональном уровне от малых образцов из такого же материала. Говоря о региональном уровне, я имею в виду объекты масштаба Байкальской рифтовой зоны (с прилегающими впадинами). Как уже было сказано выше, энергетические причины деструкции и связанных с ней процессов — по отношению к любой активной зоне — имеют глобальный характер. В сущности, деструкция литосферы — это процесс аккомодации геоматериала к длительным силовым воздействиям планетарного характера. Но — в отличие от экспериментов по разрушению образцов — мгновенного (хрупкого) разрушения региональных зон не происходит, процесс аккомодации имеет длительный характер и условия для самоорганизации геологической среды более благоприятны. Другим отличием от экспериментов является многофакторность процессов, происходящих в зонах деструкции и, как следствие, наличие условий для реализации более разнообразных форм накопления энергии, обусловленной деформацией материала и действующими напряжениями. Надеюсь, читатель не заподозрит меня в витализме, если я скажу, что в геологических масштабах среда ведет себя как более «живой» организм, чем образцы этой же среды в лабораторных экспериментах.
Невозможность хрупкого разрушения крупных (региональных) зон в виде единичного (мгновенного) акта
трещинообразования (или, что же самое, наличие верхнего предела для энергии, выделяемой при землетрясении), очевидно, связана с неспособностью материала накапливать напряжения выше некоторого предела. Можно сказать, что в региональном плане крупные разломы и другие региональные элементы среды, связанные с разрушением (как и сама крупная сейсмически активная зона), развиваются по механизму крипа.
Практически статические краевые условия, в которых существует геодинамически активная зона, обуславливают разнообразие аккомодационных процессов, помимо тех, которые проявляют себя в экспериментах. Достаточно обратить внимание на заполнение трещин минеральными растворами с последующей кристаллизацией. И трещина, заполненная жидким флюидом, и трещина, зацементированная кристаллическим веществом, представляют из себя совсем другие объекты (в смысле прочности), нежели открытая сухая трещина.
Но меняются не только трещины. Меняются и свойства вещества в массиве благодаря длительному воздействию напряжений и высокой температуры. Основную роль играют переупаковка фрагментированных мезоэлементов среды и изменение кристаллической структуры минеральных зерен, то есть твердотельные фазовые переходы. В лабораторных экспериментах иногда регистрируются и мгновенные перестройки кристаллической структуры, сопровождающиеся изменением объема. Такие явления наблюдаются в условиях стесненного деформирования, что, в общем-то, характерно для земных недр. Поэтому не исключено, что подобные перестройки могут служить причиной землетрясений «неклассического» типа, без образования крупных трещин сдвига или отрыва. Но типичным является, конечно, очень медленное изменение кристаллической структуры и упаковки, результатом чего является образование метаморфических пород.
Таким образом, процесс деструкции геологического материала сопровождается параллельным конструктивным процессом его реструктуризации, на который затрачивается значительная часть энергии, поступающей в активную зону. В каком-то смысле и поступление мантийного материала в зону деструкции рифтовой системы Срединного Атлантического хребта и последующее образование коры океанического типа есть также процессы залечивания результатов разрушения.
Здесь уместно подробнее остановиться на процессах рифтообразования. Есть ли принципиальная разница между океанической рифтовой системой и внутрикон-тинентальными рифтами? Схож ли генезис т.н. «пассивных» и «активных» рифтов? Я выскажу, может быть, слишком смелую мысль, предположив, что разница есть только в механизме, вызывающем появление растягивающих усилий на достаточно больших участках литосферы. Далее вступают в игру два фактора: фундаментальное свойство вещества — локализация деформа-
ций — и обусловленная разрушением коры потенциальная возможность режима с обострением для тепловых полей.
Для пояснения, сначала обратимся к Срединному Атлантическому хребту. Как убедительно показал Труби-цин [11], раскол суперконтинента обусловлен громадным количеством скопившегося под литосферой суперконтинента тепла, что вызвало растягивающие термонапряжения во всей этой гигантской структуре. Далее происходит локализация деформаций, неустойчивость и образование гигантских трещин, расколовших суперконтинент. Срединный Атлантический хребет есть очевидный след образовавшейся зоны деструкции. В этом месте продолжается растяжение — конечно же, не из-за поступления горячего вещества мантии, а просто вследствие еще не закончившегося процесса разбегания материков. Непосредственные причины образования зоны растяжения на месте будущего Байкальского рифта могут быть совсем иные. Я вполне принимаю, что локализация деформации и неустойчивость обусловлены здесь влиянием Индо-Евроазиатской коллизии. Вряд ли имеет смысл дискутировать, образовалась ли зона растяжения из-за вращения Амурской плиты относительно Восточно-Сибирской платформы или пластическое течение материала само поворачивает эти сегменты литосферы. Уже пояснялось, что это проявления одного и того же процесса — движения элементов мезострукту-ры. Действительная альтернатива могла бы состоять в том, что Байкальская зона растяжения возникла в результате реликтового проявления тех же растягивающих напряжений, которые когда-то раскололи Пангею. Однако рассматриваемая структура слишком молода для того, чтобы эту альтернативу принять без каких-то дополнительных оснований. Но каков бы ни был источник растягивающих напряжений, дальнейшая (уже термическая) история зоны растяжения определяется только граничными условиями (прежде всего на нижней ее границе) и, в какой-то мере, веществом, из которого сложена эта зона, и еще степенью его разрушения. Главный вопрос: граничит ли зона деструкции с астеносферой? Есть ли поблизости разогретая мантия (не обязательно с локализацией тепла)? Самое удивительное при рассмотрении такой рифтовой системы как Срединный Атлантический хребет — это исключительная локализация тепла вдоль узкой полоски, занимаемой этой структурой. Под Байкальским хребтом повышенный тепловой поток имеет ширину, близкую к ширине озера. Между тем, в обычных условиях тепло обязано рассеиваться. Вряд ли было бы разумным утверждать, что рядом с трещиной, расколовшей Пангею, случайно (да еще по всей длине!) оказался локальный источник. Размеры (да и форма) конвективных струй, обусловленных конвекцией в мантии, не позволяют и их считать источником тепла. Отпадают и плюмы — также по геометрическим причинам. Бог позаботился расколоть суперконтинент
по такой трещине, что ее форма избавляет нас от рассмотрения целого ряда альтернатив.
Такая локализация тепла в непосредственной близости от рифтовой зоны (поддерживаемая в течение длительного времени), тем более таких гигантских размеров, как Срединный Атлантический хребет, может быть объяснена, если она сама является следствием деструктивных процессов, создавших зону растяжения. Здесь могут действовать два фактора. Первый — это тепло, выделяемое в процессах разрушения. В конце концов, разрушение — это процесс диссипации механической энергии, превращения ее в тепло. Однако вряд ли этот фактор может играть доминирующую роль. Расплавить прилегающий материал верхней мантии это тепло не сможет. Значительно более важный фактор — это поступление мантийных флюидов в кору, проницаемость которой повышается в результате деструкции. Каким образом это может повлиять на концентрацию тепла? Вот здесь-то и нужно вспомнить, что нелинейные уравнения теплопроводности могут иметь решения с обострением. Такие решения возникают при некоторых формах зависимости теплопроводности от температуры, а также при определенных характеристиках теплового потока. В данной статье я не буду углубляться в детали этой проблематики (читатель может найти их в [18]). Ограничусь лишь некоторым достаточно наглядным образом. Это дымоход. Тепло устремляется в узкую трубу, если выполнен ряд условий: открыта заслонка, имеется достаточная разность внешней и внутренней температур, если, наконец, печка удачно сконструирована. Иначе говоря, если граничные условия, проницаемость, подвижность флюида, зависимость его выделения на границе самой мантии от температуры и т.п. достигают некоторой критической области (в пространстве всех параметров), то возникает режим с обострением, то есть локализация тепла. Мы имеем «активный» рифт. В противном случае рифт оказывается пассивным. Последний может оказаться стационарно пассивным, если астеносфера недостаточно разогрета или бедна флюидами, либо же временно пассивным, если процесс деструкции еще не вывел всю зону в критическую область.
6. Сейсмически активные зоны
Как уже указывалось выше, на границе геодинамически активных зон поддерживаются постоянные краевые условия (скажем, постоянство скорости деформации). Важным следствием этого постоянства является стационарность самого процесса разрушения на длительных интервалах времени. Разумеется, абсолютной стационарности быть не может, так как в масштабе геологического времени меняются и геодинамическая обстановка, и свойства (а также структура) материала, заполняющего геодинамическую зону. Какой-то тренд неизбежно должен быть. Речь, стало быть, идет о значи-
Рис. 9. Высвобождающаяся сейсмическая энергия Е в Байкальской рифтовой зоне (1982-1996 годы)
тельно меньших временах. Между тем, суммарная энергия землетрясений на интервалах времени, связанных с длительностью инструментальных наблюдений, меняется очень значительно (до двух порядков) и имеет явно нестационарный характер (рис. 9). Другое важное наблюдение состоит в том, что сам характер напряженного состояния сейсмоактивных зон на довольно коротких временах нестационарен. Изменение типичных механизмов землетрясений во времени было обнаружено довольно давно. Но в период 1992-1993 гг. изменение механизмов землетрясений в Байкальской риф-товой зоне сопровождалось изменением региональных тектономагнитных аномалий и изменением характера деформаций, измеряемых в штольне вблизи Слюдянки. Расчеты показали, что все эти факты объясняются, если допустить, что в течение полутора лет типичный для Байкала преимущественный режим растяжения сменился на режим преимущественного сжатия [19]. Кстати, этот эпизод начался на пике сейсмической активности и ознаменовался небольшим ее снижением на протяжении всех полутора лет.
Свидетельствуют ли приведенные факты о том, что постоянство краевых условий должно быть подвергнуто сомнению? Рассмотрим следующие возможности.
1. Геодинамические факторы постоянны, но существуют внешние (атмосферные, солнечные, галактические и т.п.), которые либо нестационарны либо квазиперио-дичны с относительно малыми периодами и которые существенно влияют на процесс выделения энергии в виде хрупкого разрушения.
2. На этих масштабах времен нестационарным является движение соседних геодинамических элементов (плит, зон субдукции и т.п.).
3. Из соседних активных геодинамических зон приходят «деформационные» волны, которые изменяют геодинамическую обстановку.
4. Процесс деструкции при постоянных краевых условиях нестационарен на малых временах и обладает относительно малыми характерными временами.
Хотелось бы с самого начала сказать, что все эти возможности я не рассматриваю как взаимно исключающие альтернативы. Я не исключаю, что действуют все перечисленные факторы. Все же имеет смысл определить кандидата на место ведущего фактора.
Ведущая роль внешних факторов для меня сомнительна. Слишком уж малы энергетические воздействия. Замечу, что даже в том случае, когда такие факторы несомненно выступают в качестве «спускового механизма» для крупного землетрясения, то это влияет только на время «срабатывания», но никак не на выделяемую энергию, да еще в таких масштабах. Но полностью исключить эти факторы нельзя.
Также маловероятно, что движение соседних плит и других крупных структурных элементов деформации на таких коротких временах может на два порядка изменять энергетическое воздействие на своих границах. Хотя какое-то изменение скорости деформации, которое создается на границах с более жесткими деформационными элементами, по-видимому, может иметь место. Уже более 30 лет в сейсмологии дискутируется вопрос о существовании «деформационных» волн в связи с отчетливо наблюдаемой миграцией достаточно крупных событий. Скорости такой миграции лежат в диапазоне от нескольких десятков до двух (реже трех) сотен километров в год. Крупные «деформационные» волны связываются с изгибными колебаниями упругой литосферы, лежащей на вязком основании [20, 21]. В работах Невского [22] и его сотрудников интенсивно разрабатывалась модификация этой модели, в которой наличествует разлом, достигающий подошвы. Однако полученные оценки энергии способны объяснить подпитку энергетики на уровне фоновой активности (это получено для разлома Сан-Андреас), но никак не колебания общей сейсмичности на один-два порядка. Предлагались и другие гипотезы, рассматривающие волны планетарного характера [23, 24], но удовлетворительной физической подоплеки они не имели. Разумеется, исключить влияние «деформационных» волн нельзя. Но если источниками этих волн является нестационарность геодинамического процесса в соседних активных зонах, то исследование нестационарности в данной зоне мы сводим к исследованию процесса нестационарности в другой такой же зоне. Третья возможность сводится к четвертой. Вообще, с четвертой возможности нужно начинать в любом случае, поскольку к чему-то внешнему нужно прибегать, когда поиск «внутренних» причин оказывается безрезультативным (принцип Оккама).
Обнаруживается ли нестационарность процесса деструкции на образцах? Процесс хрупкого разрушения нестационарен по существу. Графики «деформация-напряжение» в области пластической деформации (от на-
чала нагружения вплоть до разрушения) хорошо известны. Точно также заведомо нестационарен процесс, происходящий в очаговой зоне единичного землетрясения. Достаточно вспомнить такие понятия, как затишье, фор-шоки, главный толчок, афтершоки, опять затишье.
Однако это ни в коей мере не является ответом на поставленный вопрос. В региональном плане процесс деструкции не доходит до хрупкого макроразрушения, а начало этого процесса теряется во мгле «миллионо-летий». Поэтому нужно обратиться к экспериментам другого плана, а именно, к исследованию пластического течения на стационарных участках кривой «деформация-растяжение». Такого сорта эксперименты проводились в работе [25] по изучению деформации поликрис-таллических материалов при постоянных (но различных) скоростях деформации (рис. 10). Мы видим, что имеет место локальная (короткоживущая) нестационар-ность процесса с различными формами проявления: от квазипериодичности до квазистохастичности. Проведенный авторами мультифрактальный анализ квазисто-хастической ситуации показывает, что в определенных случаях возможна ее интерпретация с позиции детерминированного хаоса. Таким образом, коллективное поведение большого числа элементов деформации свидетельствует о том, что в целом — при постоянной скорости деформации — деформируемый образец образует нелинейную систему, которая либо находится в режиме автоколебаний, либо траектория системы находится в странном аттракторе. Как подчеркивается большинством исследователей, решающую роль (помимо
Рис. 10. Зависимость нормализованных напряжений от времени в экспериментах с различной (но постоянной) скоростью средней деформации: 2.710-5 (а), 1.110 4 (б), 5.310 4 с1 (в) [25]
температуры, гидростатического давления и т.п.) в характере деформирования играет скорость деформации.
Физическая интерпретация неравномерности выделяемой сейсмической энергии состоит в том, что релаксация всей сейсмоактивной зоны неравномерна во времени. Имеются эпохи, когда сейсмоактивная зона находится в состоянии релаксации, крип превалирует над хрупким разрушением, идет процесс накопления деформационной энергии. В другие эпохи аккомодационные ресурсы сейсмоактивной зоны исчерпаны, происходит высвобождение накопленной энергии, роль хрупкого разрушения резко возрастает. В эти эпохи в активный процесс разрушения вовлекаются и несейс-могенные слои коры, в частности ее верхняя часть. Для крупных землетрясений размер трещины, по которой происходит сдвиг, может достигать сотни километров. Поэтому неизбежно трещины могут распространяться выше и — не исключено — достигать дневной поверхности. Не говоря уже о том, что самые верхние, достаточно рыхлые образования разрушаются благодаря упругим волнам, излучаемым очагом.
Являются ли наблюдаемые на дневной поверхности крупные трещины, возникшие в результате землетрясений, продолжением глубинных сейсмогенных трещин? Исходя из того, что мы сейчас знаем о землетрясениях, возможно и то и другое. Тем не менее, вопрос крайне интересен. Н.Н. Пузырев [26] предлагал бурить скважины для выяснения этого вопроса для конкретных трещин. При наличии хороших инструментальных наблюдений на него можно попытаться ответить, если имеются данные о точном времени прихода продольной волны от землетрясения и начале роста трещины на поверхности. Как мы знаем, скорость роста трещины не превосходит скорости рэлеевской волны, поэтому заметная разница между указанными временами является свидетельством в пользу глубинного происхождения. Хотя и в этом случае ответ не бесспорный, поскольку неоднократно наблюдается замедление реакции среды на динамическую нагрузку [27].
Заключая этот раздел, в котором мы преимущественно акцентируем внимание на том, что отличает реальный сейсмический процесс от лабораторных экспериментов по разрушению, приведем еще один очень важный факт. В экспериментах еще никогда не был воспроизведен афтершоковый процесс, являющийся типичным для крупных землетрясений. В чем здесь дело? Связано ли это с методикой экспериментов? Например, если внимание акцентируется на самом акте разрушения образца, то афтершокового процесса просто не может быть. Или — с учетом подобия — процесс афтершоков в экспериментах слишком быстр (практически сливается с главным событием). Но мы обязаны также предположить, что имеется некое фундаментальное отличие «живой» геологической среды от «мертвого» образца.
При любой интерпретации имеющегося отличия между экспериментами и геологической реальностью, афтер-шоки несомненно связаны с блочной структурой среды. Система блоков, принадлежащая концентратору напряжений в окрестности очага будущего землетрясения, запасает потенциальную энергию, обусловленную именно геометрией «упаковки» блоков. При разрушении одного из блоков вся система выходит из состояния равновесия, благодаря чему высвобождается накопленная потенциальная энергия. В какой-то мере это похоже на разрушение кучи камней на склоне, из которой выкатился один — самый крупный — камень.
7. Проблема прогноза землетрясений
Ставка на предвестники себя не оправдала. Хотя подавляющее число выявленных предвестников действительно связано с землетрясениями. Об этом много написано (см., в частности, [28, 29]), я повторяться не буду. Причина неудачи пока состоит в том, что мы еще мало знаем о процессе подготовки землетрясения. Я пишу «пока», потому что, когда мы узнаем больше, может оказаться, что краткосрочный прогноз землетрясения принципиально невозможен, как невозможен долгосрочный прогноз погоды.
Землетрясения происходят в сейсмоактивной зоне, представляющей собою сложную, иерархически построенную блочную систему, в которой различные блоки взаимодействуют между собой. Подготовка землетрясения ни в коем случае не является локальным феноменом перманентного роста напряжений до достижения некоторого порога. Наблюдаемые иногда медленные движения дневной поверхности, обнаруживаемые по данным наклонометрии на большой территории непосредственно перед землетрясением (как и наблюдения за уровнем грунтовых вод), говорят о том, что область, вовлекаемая в процесс подготовки землетрясений даже на последних стадиях, весьма значительна по размерам. Большое землетрясение — это всегда результат активизации больших объемов земной коры. Поэтому процесс подготовки отдельного землетрясения нельзя отрывать от того, что в данную эпоху происходит во всей сейсмоактивной зоне. Иначе говоря, занимаясь физическими явлениями, происходящими в процессе подготовки единичного крупного землетрясения, мы не можем ограничивать себя сравнительно небольшой зоной будущего очага, но обязаны принимать во внимание процессы, проистекающие во всей сейсмоактивной зоне. Другими словами, мы должны двигаться от физики очага к физике крупных очаговых зон.
Ведущими факторами, определяющими деструктивные процессы как во всей литосфере, так и в отдельной сейсмоактивной зоне (помимо блочной структуры), являются: 1) неоднородность среды в отношении проч-
ности, 2) скорость деформации, 3) концентраторы напряжений, 4) локализация деформаций и появление поясов пластичности, 5) процесс переконцентрации напряжений в результате движения блоков. Реальный прогноз не может строиться без информации об этих факторах. Особая роль принадлежит знанию геометрии всех крупных разломов. И по многочисленным расчетам, и по данным физического эксперимента именно вблизи разломов (особенно вблизи их пересечений, сочленений и окончаний) располагаются наиболее сильные концентраторы напряжений.
Вторая проблема — это возможность (скорее неизбежность) различных сценариев возникновения землетрясений. Землетрясения отличаются не только ориентацией плоскости трещины и направлением смещения, которые определяются при традиционном анализе механизмов землетрясения. Даже если мы достигнем того уровня, когда для каждого землетрясения будет определяться тензор сейсмического момента (т.е. тензор разности напряжений до и после землетрясения), это будет слишком неполной информацией о том, что происходит в очаге. Ключевыми вопросами являются следующие: в каких условиях напряженно-деформированного состояния происходит землетрясение и к какому типу относится само разрушение. Говоря об условиях напряженно-деформированного состояния, мы имеем в виду такие особенности напряженного состояния, как наличие растягивающей компоненты у тензора напряжений, превалирование чисто сдвиговых напряжений и условия, близкие к всестороннему (но аномально высокому) сжатию. Критерии прочности во всех случаях различны. Говоря об особенностях деформирования прежде всего нужно различать условия стесненного и менее стесненного деформирования. Классическая ди-латансия наблюдается только при нестесненном деформировании. Если подъемная сила, возникающая в процессе дилатансии, превышает вес вышележащих пород, то такие условия являются нестесненными. В противном случае это не так. Тогда процесс раскрытия трещин не происходит и вместо дилатансного разупрочнения пород происходит дилатансное упрочнение, скорости продольных волн не понижаются, а повышаются [30].
Недавние исследования А.С. Алексеева, А.С. Бело-носова и В.Е. Петренко [31] показали, что геометрия дилатансных зон может оказаться нетривиальной. Наряду с очаговой зоной дилатансии (которая может и отсутствовать) возникает обширная приповерхностная зона, с которой, по-видимому, чаще всего и связаны предвестники, наблюдаемые вблизи поверхности Земли на достаточно далеких расстояниях от будущего очага.
По типу разрушения следует различать: 1) проскальзывание по готовому разлому (преодоление сухого трения, разрушение препятствия, зацепляющего берега трещин, или нескольких таких препятствий), 2) возник-
новение новой трещины (трещины отрыва или трещины сдвига) в массиве (как правило, прилегающем к уже имеющемуся разлому), 3) разрушение в массиве с образованием большого числа трещин. Нельзя исключать и возможности быстрой перекристаллизации материала (в условиях всестороннего сжатия и стесненного деформирования), сопровождающейся изменением его объема.
Не вызывает сомнения тот факт, что настало время математического и физического моделирования не вообще процесса разрушения, а конкретных типов разрушения, отвечающих различным типам землетрясений и напряженно-деформированных состояний. Особое значение приобретают исследования, направленные на изучение тонкой структуры записей от землетрясений. Они должны быть ориентированы на восстановление движения в очаге, то есть на оценку развития разрыва смещений среды, обусловленного землетрясением.
Несомненно, что сейсмическая эмиссия (малые события и региональные микросейсмы) является главным свидетельством особенности процесса хрупкого разрушения в сейсмогенных зонах. Я высоко оцениваю результаты Г.А. Соболева [32, 33] по изучению процесса кластеризации малых событий в процессе подготовки крупного землетрясения и на образцах, и по материалам камчатских и японских землетрясений. Во многих ситуациях именно критерии, связанные с кластеризацией, могут быть основой среднесрочного прогноза. Все же нет оснований считать, что такие критерии имеют универсальный характер для всех сейсмических зон и для любых конкретных условий. При среднесрочном прогнозе, помимо аномалий кластеризаций, важное значение имеет обнаружение хотя бы малейших признаков поворота блоков, прилегающих к сейсмогенному разлому. Как было показано В.Е. Паниным [9], именно нарушение баланса моментов, возникающих в среде с ме-зоструктурой, является истинным (физическим) критерием разрушения, тогда как все остальные виды критериев (порогов) имеют полуэмпирический характер.
В краткосрочном прогнозе решающую роль должны играть детальные исследования выявленных по среднесрочному прогнозу опасных зон, с целью выявления признаков метастабильного состояния, изучения имеющихся зон дилатансии и оценки той совокупности предвестников, которые в данных физических условиях должны играть наиболее информативную роль. Медленные движения дневной поверхности, как и высокочастотные деформационные шумы, в любом случае должны играть важную роль. Большое значение приобретает и отслеживание внешних процессов (в первую очередь, приливных волн), которые могут служить триггером в возникновении крупного землетрясения. На этой стадии важную роль должна сыграть развиваемая А.С. Алексеевым и его сотрудниками [31] концепция решения многодисциплинарных (кооперативных) по-
становок обратных задач геофизики с целью определения и мониторинга зон дилатансии по совокупным измерениям ряда геофизических полей.
Я уверен, что в будущем, когда ценность индивидуальной человеческой жизни станет много выше, чем сейчас, человечество пойдет на расходы, связанные с необходимой для краткосрочного прогноза детальностью прогностических исследований.
8. Экспериментальные свидетельства специфического поведения блочноиерархической среды
В этом небольшом разделе я коснусь ряда экспериментальных фактов, в которых ярко проявляется дискретная структура среды. Сначала я сошлюсь на эксперименты по изучению амплитуды и скорости распространения акустических волн под платформой мощного вибратора, осциллирующего с частотой примерно 7 Гц [34]. Было обнаружено довольно сложное, квазипе-риодическое изменение параметров акустических волн (период которых отвечает периоду колебаний вибратора). Численное моделирование и расчеты [35] показали, что эти явления связаны с переупаковкой зерен грунта в процессе динамического нагружения. Важным признаком самоорганизации этого процесса (как и явления локализации деформации) является формирование относительно тонкого слоя, в котором концентрируется переупаковка зерен.
В другой серии экспериментов [30] изучалось изменение характеристик акустических волн в процессе разрушения песчано-глинистых материалов (глин, суглинков и песков). Было показано, что характер изменения зависит не только от зернистой структуры материала, но и от условий деформирования. В частности, в условиях стесненного деформирования амплитуда и скорость распространения акустической волны в песке заметно увеличиваются (амплитуда — в сотни раз), а в условиях нестесненного деформирования — уменьшаются. Мы встречаемся с ситуацией, в которой уравнение состояния вещества зависит от граничных условий (!). Нетрудно представить ситуацию, когда различные участки макроскопически одинаковой среды в условиях сложного нагружения могут подчиняться различным уравнениям состояния.
Следующая серия экспериментов выявляет замедленную реакцию среды, ее активизацию и возникновение медленных движений.
В уже упомянутых экспериментах с мощным вибратором было обнаружено, что параметры акустических сигналов практически восстанавливаются через несколько часов после выключения вибратора. Это означает сразу несколько вещей. Во-первых, переупаковка грунта на уровне представительного мезообъема (я использую терминологию Макарова [36]) обратима. Этот факт установлен и в работах Ревуженко [37], который и
ввел в обиход понятие обратимой упаковки. Разница здесь в том, что Ревуженко рассматривал статические эксперименты, здесь же речь идет о динамических экспериментах. Конечно, на масштабном уровне самих зерен никакой обратимости не может быть. Как и в случае газа, речь может идти только о восстановлении «макроскопических» характеристик. В данном случае макроуровень определяется длиной волны акустических сигналов.
Во-вторых, новая упаковка, которую приобретает грунт в процессе динамического нагружения, имеет более высокую потенциальную энергию, которая высвобождается в процессе релаксации, поскольку последняя обуславливает изменение объема, вовлеченного в переупаковку материала. Это позволяет трактовать сам процесс динамического вибровоздействия на среду как процесс накачки энергии в среду и ее активизацию.
Именно по этим причинам я избегал в тексте этой статьи использовать понятие накопления «упругих напряжений» или «упругой энергии», предпочитая более туманное понятие — «энергия деформирования». Дело в том, что последняя может накапливаться в геоматериалах не только благодаря росту упругих напряжений (то есть благодаря уменьшению межатомных расстояний в кристаллической решетке каждого монокристалличес-кого зерна), но и по другим причинам. Среди них изменение конфигурации зернистой и вообще блоковой системы, переход в метастабильные фазовые состояния (вследствие изменения геометрии самой кристаллической решетки) и любые другие преобразования, приводящие вещество к состояниям с большим запасом потенциальной (внутренней) энергии. В качестве примера напомним, что при бурении Кольской сверхглубокой скважины из некоторых интервалов глубин извлекался керн, который разрушался при атмосферном давлении. Часто механизм фазового перехода рассматривается как альтернатива трещинному механизму. Такая гипотеза сталкивается с невысокой скоростью известных фазовых переходов. Однако разумнее допустить, что фазовые переходы могут сопровождать уже начавшийся процесс разрушения, либо его инициировать. Скорее всего, чисто механический процесс разрушения вряд ли имеет место.
В-третьих, возвращение к прежней упаковке означает, что высвобождаемая энергия передается соседним объемам среды. Поскольку на переупаковку затрачивается более 90 % всей энергии, передаваемой вибратором в среду, эта энергия значительнее, чем излучаемая вибратором энергия сейсмических волн. Таким образом, возникает специфический механизм медленной передачи энергии от одного мезообъема среды другому, который можно трактовать как медленное распространение энергии диффузионного (а возможно и волнового) типа.
По неопубликованным еще данным, через некоторое время после начала работы вибратора (опоздание изме-
ряется интервалом в десятки минут) на глубинах порядка 20-40 метров возникает акустическая эмиссия в виде отдельных импульсов, свидетельствующих об инициации трещин. Это говорит о том, что посредством механизма медленных движений вибратор активизирует не только непосредственно прилегающий объем геоматериала, но и смежные с ним объемы.
Примерно о том же свидетельствуют ведущиеся уже на протяжении нескольких лет эксперименты В. Ружича по инициации разломных зон [27]. В этих экспериментах движение в разломных зонах изучается специально сконструированными деформографами, устанавливаемыми в расщелины. Инициация производится либо при помощи электродетонаторов, либо ударами. Мониторинговый режим записей позволяет также рассматривать реакцию разломной зоны на землетрясения. Во всех случаях основная реакция наблюдается на временах, которые на несколько порядков больше, чем времена прихода упругих волн. Время реакции индивидуальных деформографов мало зависит от расстояния до источника, что вероятно может свидетельствовать не о медленной «деформационной волне», а о замедленной реакции среды на упругое возмущение. Но в этом случае запаздывание должно было бы быть таким же и от землетрясения, но в данном случае задержка много больше — измеряется часами. Во всех случаях, вслед за возбуждением деформационного процесса наступала его глубокая релаксация, так что уровень деформаций становился заметно ниже фонового.
Рассмотренные эксперименты (а также эксперименты, которые описывались в [38, 39] позволяют по-новому подойти к интерпретации медленных деформационных волн как специфического механизма передачи энергии в блочных средах. Эти волны могут быть связаны как с явлениями на контактах блоков, так и с таким изменением их конфигурации, которое приводит к изменению потенциальной энергии, присущей системе блоков в поле действующих сил.
Оригинальный механизм распространения уединенных волн в блочной среде, основанный на передаче вращательного момента в цепочке блоков, предложен Николаевским [40]. Мне представляется, что этот механизм реализуется в относительно регулярных блочных структурах (типа разломных зон). Упомянем также концепцию «маятниковых волн», предложенную В.Н. Опариным. Вряд ли, однако, предложенные механизмы могут описывать все многообразие медленных движений в коре.
Нам представляется, что большая часть медленных движений не обязана иметь волновую природу (то есть они могут и не описываться гиперболическими уравнениями) и связана с контактным взаимодействием блоков, в которых поворотные движения могут играть как доминирующую, так и ограниченную роль. Примером
может служить движение вагонов в самом начале движения состава. И характер взаимодействия, и масштабный уровень пришедших в движение блоков (в иерархии блоковых систем) зависят от уровня применяемой энергии. При малых энергиях блоки контактируют как упругие. Это является основной причиной, почему скорости распространения сейсмических волн в блочной среде почти те же самые, что и в образцах соответствующих пород. Но при больших энергиях эти же контакты становятся «мягкими» и скорости передачи движения блоков становятся малыми.
Свидетельствуют ли предложенные различные механизмы о реальном разнообразии распространяющихся медленных движений или о нереальности некоторых моделей, сказать трудно. Но уже сейчас можно предположить, что медленные деформационные движения являются основным процессом, регулирующим переносы энергии в сейсмоактивных зонах. Не исключено, что они играют важную роль в афтершоковом процессе.
9. Заключение
Процесс деструкции в литосфере и, в особенности, в ее наиболее хрупкой части является одним из ведущих тектонических процессов с весьма малыми характерными временами. Сейсмическая активность является главным свидетельством масштабов этого процесса, характер которого контролируется блочно-иерархической структурой геологической среды. Последняя, в свою очередь, обусловлена процессом деструкции. В процессе деструкции ярко проявляются особенности разрушения материалов, выявляемые в экспериментах на образцах. Особенно это относится к явлениям, изучаемым в рамках концепции физической мезомеханики, выдвинутой академиком Паниным [9, 15, 17, 41]. Сюда относится локализация деформаций и полос пластичности, возникновение поворотных мод в движении мезообъе-мов более жесткого материала и т.д. Выявленные к настоящему времени закономерности разрушения материалов позволяют по-новому поставить проблему прогноза землетрясений, а именно, как прослеживание тех изменений в напряженно-деформированном состоянии среды, которые прямо связываются с процессом разрушения. Сейчас ясно, что землетрясение не является результатом постоянного накопления упругой энергии, но результатом сложного развития среды, происходящего на фоне межблокового взаимодействия. Большое значение имеет то обстоятельство, что каждое землетрясение развивается по собственному сценарию. Но это не противоречит существованию различных, отчетливо выраженных физических типов таких сценариев и типичных стадий развития разрушения. Здесь уместна аналогия с шахматной игрой, в которой каждая игра уникальна, но вместе с тем имеется четкая классифи-
кация дебютов и стадийности игры. Задача сейсмологов, как и шахматных экспертов, — дать оценку текущей позиции на основе глубокого ее понимания.
Важными положениями, обсуждавшимися в статье, являются возможность накопления энергии в среде не только в форме накопления упругих напряжений, но и в других формах, например в форме переупаковок элементов блоковой системы (на каком-то ее уровне), а также возможность транспортировки энергии путем «медленных движений», специфических движений блочно-построенной среды. Выдвинут принцип делимости (сепарабельности) масштабов.
Данная статья — всего лишь попытка перечислить те вопросы и проблемы, которые необходимо учитывать и специалистам по разрушению, которые хотели бы способствовать решению проблем геодинамики и сейсмологии, и специалистам по геодинамике, разрабатывающим тектонику активных геодинамических зон, и сейсмологам, пытающимся интерпретировать сейсмический процесс с позиций современной геодинамики. Я никак не претендую на то, что хотя бы какая-то из этих проблем нашла в данной статье свое решение. Но мне кажется, что сейчас, когда концепция предвестников уже не представляется столь перспективной, важно наметить путь, новую перспективу исследований со всеми возникающими на новом пути проблемами.
Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 00-05-65337-а) и Сибирским отделением РАН в рамках интеграционного проекта № 77-2000.
Литература
1. Шерман С.И., Гладкое А.С. Новые данные о фрактальной размерности разломов и сейсмичности в Байкальской рифтовой зоне // ДАН. - 1998. - Т. 361. - С. 685-688.
2. Лукк А.А., Дещерееский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. - М.: ОИФЗ РАН, 1996. - 210 с.
3. Bean C.J. On the cause of 1/f-power spectral scaling in borehole sonic
logs // Geophys. Res. Lett. - 1996. - V. 23. - No. 22. - P. 3119-3122.
4. Leary P., Abercrombie R. Fractal fracture scattering origin of S-wave coda: spectral evidence from recordings at 2.5 km // Geophys. Res. Lett. - 1994. - V. 21. - P. 1683-1686.
5. Берзон И.С. Сейсмическая разведка вертикально-слоистых сред фундамента. - М.: Недра, 1977. - 320 с.
6. Кондратьее О.К. Сейсмические волны в поглощающих средах. -М.: Недра, 1986. - 176 с.
7. Николаее А.В. Черты геофизики XXI века // Геофизика на рубеже веков. Избранные труды ученых ОИФЗ РАН. - М.: ОИФЗ РАН, 1999. - С. 319-323.
8. Николаееский В.Н. Подземная гидродинамика и проблемы геофизики // Проблемы теории фильтрации и механика процессов повышения нефтеотдачи. - М.: Наука, 1987. - С. 170-178.
9. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -
1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
10. Журкое С.Н. Кинетическая концепция разрушения твердых тел // Вестник Академии наук СССР. - 1968. - № 3. - С. 46-52.
11. Трубицын В.П. Глобальные тектонические процессы, формирующие лик Земли // Геофизика на рубеже веков: Избранные труды ученых ОИФЗ РАН. - М.: ОИФЗ РАН, 1999. - С. 80-92.
12. Лееин Б.Р., Паелое В.П. Теоретико-полевой метод реконструкции напряжений в Земле с подвижным ядром // Теоретическая и математическая физика. - 2001. - Т. 128. - № 3. - С. 439-445.
13. КулакоеИ.Ю., Тыгчкое С.А., Кесельман С.И. Трехмерная структура верхней мантии южного горного обрамления Сибирской платформы по данным сейсмической томографии // Геология и геофизика. - 1994. - Т. 35. - № 5. - С. 31-49.
14. Романоеа В.А. Моделирование развития пластической деформации с учетом зарождения дефектов на границах раздела // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 73-79.
15. Панин В.Е. Современные проблемы пластичности и прочности твердых тел // Изв. вузов. Физика. - 1998. - Т. 41. - № 1. - С. 7-34.
16. Панин С.В., Кашин О.А., Шаркеее Ю.П. Изучение процессов пластической деформации на мезомасштабном уровне инструментальной стали, поверхностно упрочненной методом электроискрового легирования // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 4. - С. 75-85.
17. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с.
18. Самарский А.А., Галактионое В.А., Курдюмое С.П., Михай-лое А.П. Режимы с обострением в задачах для квазилинейных параболических уравнений. - М.: Наука, 1987. - 477 с.
19. Дядькое П.Г., Мельникоеа В.И., Санькое В.А., Назарое Л.А., На-зароеа Л.А., Тимофеее В.Ю. Современная динамика Байкальского рифта: эпизод сжатия и последующее растяжение в 1992-1996 годах // ДАН. - 2000. - Т. 372. - № 1. - С. 99-103.
20. Николаееский В.Н., Рамазаное Т.К. Генерация и распространение волн вдоль глубинных разломов // Изв. АН СССР. Физика Земли. -1986. - № 10. - С. 3-13.
21. Райс Дж. Механика очага землетрясений. - М.: Мир, 1982. -215 с.
22. Нееский М.В. Сверхдлиннопериодные волны деформаций на активных разломах и сейсмичность // Геофизика на рубеже веков. Избранные труды ученых ОИФЗ РАН. - М.: ОИФЗ РАН, 1999. -С. 124-139.
23. Губерман Ш.А. D-волны и землетрясения // Теория и анализ сейсмологических наблюдений. Вычислительная сейсмология. Вып. 12. - М.: Наука, 1979. - С. 158-188.
24. Жадин В.В. Пространственно-временные связи сильных землетрясений // Физика Земли. - 1984. - № 1. - С. 34-38.
25. Лебедкин М.А., Дунин-Баркоеский Л.Р., Лебедкина Т.А. Статистический и мультифрактальный анализ коллективных дислокационных процессов в условиях эффекта Портевена - Ле Шателье // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 2. - С. 13-19.
26. Пузыгрее Н.Н. О некоторых проблемах общей сейсмологии // Геология и геофизика. - 2000. - Т. 41. - № 11. - С. 1487-1491.
27. Ружич В.В., Труское В.А., Черныгх Е.Н., Смекалин О.П. Современные движения в зонах разломов Прибайкалья и механизмы их инициирования // Геология и геофизика. - 1999. - Т. 40. - № 3. -С. 360-372.
28. Гольдин С.В., Дядькое П.Г., Дашееский Ю.А. Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне // Геология и геофизика. - 2001. - № 10. - С. 1484-1496.
29. Alekseev A.S., Goldin S.V. Problems of seismic risk mitigation in Asia. Adaptation and transfer of advanced technology in Asia // Proceedings of International Symposium. - Novosibirsk: Publishing House of Siberian Branch of RAS, 2002. - P. 142-155.
30. Гольдин С.В., Колесникое Ю.А., Полозое С.В. Распространение акустических волн в грунтах в условиях изменяющегося сдвигового напряжения (вплоть до разрушения образцов) // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 105-113.
31. Алексеее А.С., Белоносое А.С., Петренко В.Е. Определение интегрального предвестника землетрясений с использованием многодисциплинарной модели и активного вибросейсмического мониторинга // Труды ИВМиМГ. Математическое моделирование в геофизике. - Новосибирск: ИВМиМГ, 1998. - С. 3-50.
32. Sobolev G.A., Ponomarev A.V. Acoustic Emission and Precursory Phases of Failure in a Laboratory Experiment // Volc. Seis. - 2000. -V. 21. - P. 479-496.
33. Sobolev G.A. Precursory Phases of Large Kamchakan Earthquakes // Volc. Seis. - 2000. - V. 21. - P. 497-509.
34. Геза Н.И., Егорое Г.В., Мкртумян Ю.В., Юшин В.И. Экспериментальное исследование мгновенных вариаций скорости и затухания сейсмических волн в рыхлой среде in situ, подвергаемой пульсирующей динамической нагрузке // Геология и геофизика. - 2001. -Т. 42. - № 7. - С. 1137-1146.
35. Гольдин С.В., Псахье С.Г., Дмитриее А.И., Юшин В.И. Переупаковка структуры и возникновение подъемной силы при динамическом нагружении сыпучих грунтов // Физ. мезомех. - 2001. -Т.4. - № 3. - С. 97-103.
36. Макарое П.В. Подход физической мезомеханики к моделированию процессов деформации и разрушения // Физ. мезомех. -1998.- Т. 1. - № 1. - С. 57-75.
37. РевуженкоА.Ф. Механика упругопластических сред и нестандартный анализ // Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000. - 428 с.
38. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа V]X // ДАН СССР. - 1993. -Т. 333.- № 4.
39. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Волны маятникового типа // ФТПРПИ: Ч. I. - 1996, № 3; Ч. II. - 1996, № 4; Ч. III.- 1996, № 5.
40. Николаевский В.Н. Математическое моделирование уединенных деформационных и сейсмических волн // ДАН.- 1995.- Т. 341.-№ 3. - С. 403-405.
41. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
