CC BY
16
УДК 551.24:528.481
АНАЛИЗ ПОВТОРНЫХ НИВЕЛИРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В ЗОНАХ РАЗЛОМОВ МЕТОДАМИ ТЕОРИИ ДЕФОРМАЦИЙ
Юрий Олегович Кузьмин
Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта Российской академии наук, 123242, Россия, г. Москва, Большая Грузинская ул., 10, стр. 1, доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделением разведочной геофизики и прикладной геодинамики, тел. (499)254-65-65, e-mail: kuzmin@ifz.ru
Евгений Альбертович Фаттахов
Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта Российской академии наук, 123242, Россия, г. Москва, Большая Грузинская ул., 10, стр. 1, младший научный сотрудник, тел. (499)254-65-65, e-mail: Fea@ifz.ru
В связи с необходимостью тектонофизической интерпретации аномальных вертикальных смещений земной поверхности в зонах активных разломов предложен формализованный подход для селекции типов подвижек. Приведена классификация аномальных, вертикальных смещений земной поверхности в зонах разломов. Показано, что все аномальные изменения сводятся к трем основным типам деформаций: региональный изгиб, локальный изгиб и вертикальный сдвиг. На основе геометрической теории деформаций используются безразмерные параметры, позволяющие выявлять доминирование базовых геомеханических механизмов (вертикальный сдвиг, знакопеременный изгиб) во времени. На ряде геодинамических полигонов (сейсмопрогностических и техногенных) показана реализация введенного параметра F, являющегося пространственным фильтром, который выявляет доминирующую роль конкретного типа аномальной активизации. Представлены материалы повторных нивелирных наблюдений вдоль профилей, пересекающих несколько разломных зон. Выявлены периоды смены локального механизма деформационной активности разломов во времени. Разработана методика, которая позволяет проводить скользящее осреднение сдвиговых и изги-бовых подвижек вдоль нивелирных линий, пересекающих несколько разломных зон, и установление доминирующего типа аномалий за весь период наблюдений для каждого разлома.
Ключевые слова: современная геодинамика, геодинамический мониторинг, геодезия, нивелирование, вертикальные движения, разломные зоны, деформационные процессы в зонах разломов, наблюдения.
Как известно, основу информации о пространственно-временной структуре современного геодинамического состояния среды составляют повторные геодезические (наземные и спутниковые) измерения, проводимые на различных масштабных уровнях описания процессов: глобальном, региональном, зональном и локальном.
Исследования глобальных и региональных геодинамических процессов проводятся в основном методами спутниковой геодезии (ГНСС, ГЛОНАСС/GPS) в рамках изучения кинематики литосферных плит. Однако для описания тонкой структуры процессов в зонах разломов необходимо рассмотреть основные пространственно-временные характеристики движений в зональном и локальном масштабах наблюдений. В настоящее время наиболее полная информация по-
лучена по данным повторных нивелирований (вертикальная компонента движений). Это обусловлено целым рядом причин. Нивелирные измерения более технологичны (по сравнению с наземными методами регистрации горизонтальных движений) и выполнены с гораздо большей точностью. Методы спутниковой геодезии в основном используют сети с большими (десятки и сотни километров) расстояниями между пунктами измерений. С другой стороны, при прочих равных условиях, вертикальная составляющая аномальных смещений земной поверхности (свободной от напряжений) значительно превышает горизонтальную компоненту. В этой связи далее рассматриваются преимущественно результаты нивелирных наблюдений, которые получены на специально организованных геодинамических полигонах различного целевого назначения [1-3].
В приведенных публикациях по исследованию пространственно-временной структуры современных деформационных процессов в зонах разломов изложены следующие эмпирические обобщения:
- существуют устойчивые типы локальных аномалий в вертикальных движениях земной поверхности в зонах разломов (таблица). При этом горизонтальные размеры (Ь) у-аномалий составляют 0,1-2 км, ^-аномалий - 5-10 км, а Р-аномалий - 10-30 км. Соотношения между амплитудой (АН) и протяженностью (Ь) для каждого типа аномалий связаны через масштабный коэффициент т = 10-6 (если амплитуда выражена в миллиметрах, то ширина аномалии -в километрах);
- основные пространственно-временные характеристики аномальных движений идентичны как для сейсмоактивных, так и для асейсмичных разлом-ных зон. При этом интенсивность деформационного процесса в разломах асейсмичных регионов выше, чем в сейсмоактивных;
- установленные типы аномальных движений находятся в определенном соответствии с региональными типами напряженного состояния земной коры. В районах предгорных и межгорных прогибов (области сжимающих напряжений) доминируют Р-аномалии, а в рифтовых областях (зоны растяжений) преобладают у-аномалии.
Отмеченные закономерности были сформулированы в конце XX в. За прошедшие годы был накоплен дополнительный материал по выявленным в зонах разломов деформационным аномалиям. Естественно, что подавляющее большинство этих данных было получено по материалам повторного нивелирования вдоль профилей, которые пересекали приразломные участки. Существенный вклад в общую коллекцию деформационных аномалий внесли результаты, полученные на геодинамических полигонах, которые были созданы на месторождениях нефти и газа и подземных хранилищах газа. Так, к настоящему времени надежно выявлено 2 037 «приразломных» аномалий вертикальных смещений земной поверхности различного типа. Оказалось, что подавляющее количество аномалий представлено локальными симметричными (квазисимметричными) просадками земной поверхности в зонах разломов, то есть аномалиями типа у (88 %). Количество аномалий типа Р составило 9 %. Наименее
распространенными типами аномалий оказались локальные смещения типа £ (3 %) [4-8]. В отдельных случаях эти результаты были дополнены материалами измерения горизонтальной компоненты движений, полученными по данным наземной и спутниковой геодезии, а также результатами математического моделирования [9-14].
Основные типы аномальных изменений современных вертикальных движений земной поверхности в пределах зон разломов
Типы аномалий
Соотношение признаков
Практические примеры аномалий и местоположение их источников
Тип у
Локальный изгиб
Тип р
Региональный изгиб
Тип 8
Дифференцированные движения
бортов разломов
Как видно из таблицы, аномалии различаются не только по морфологии, но и по соотношению между АИ и Ь. Приведенная классификация аномалий носит относительный характер и зависит, в частности, от пространственного масштаба (изученности) исходных данных. Вместе с тем, данная классификация представляется наиболее оптимальной, поскольку, как будет показано ниже, каждый тип аномалии может быть отождествлен с конкретным механизмом деформирования.
Как известно из механики деформируемых сред [15], напряженно-деформированное состояние можно характеризовать силовым (теория напряжений), геометрическим (теория деформаций) и реологическим (связь напряжений и деформаций для различных типов сред) образом. Результаты геодезических наблюдений за смещениями закрепленных точек на земной поверхности и оснований зданий и сооружений естественным образом описываются с помощью геометрической теории деформаций, которая не связана с реологическими свойствами среды (упругими, пластическими, вязкими и т. п.).
Согласно выявленной классификации аномальных движений, необходима формализация регионального изгиба, локального изгиба и сдвига бортов разлома. Для определения типа деформирования земной поверхности по результатам повторного геометрического нивелирования для трех смежных реперов в работе [3] предложено использовать безразмерные комбинации из параметров наклона а и изгиба в (у). Если через одну из секций нивелирного хода проходит разлом, то соотношение величин а и в (у) позволяет судить о степени однородности деформирования приразломной зоны. В случае, если разлом кинематически пассивен, то возможны только две ситуации, которые могут быть отражены по данным повторного нивелирования. Либо вертикальные движения всех реперов равны нулю, либо существуют аномальные движения в виде однородного наклона. Кинематическая (деформационная) активизация разлома в форме любого из отмеченных в таблице типов аномалий обязательно приведет к нарушению однородности деформирования исследуемого участка земной поверхности.
Для количественной характеристики степени однородности деформирования одним из авторов данной статьи введен безразмерный Р [3]:
(1)
1 дН1 ^ аИ,
\
1 | аИ1 аИ2
л
где а =
_. —--
2 V 11 12
; в
2 V 11 12
Этот параметр удобнее простого
лишен подобных недостатков и логарифм от-
ношения параметров. Предложенный параметр не имеет особых точек и изменяется в интервале |-1; 1|. Он по своей сути подобен известному параметру Лоде - Надаи, который характеризует тип напряженно-деформированного состояния.
Каждому значению Р соответствует вполне определенный тип деформирования. Так, при Р = -1 имеет место чистый изгиб - аномалия типа Р(у), что означает максимальное нарушение однородности деформирования (рис. 1, а). В случае, когда Р = 0 возможно проявление неоднородности деформирования за счет возникновения £ аномалии на разломе (рис. 1, б). Значению Р = +1 соответствует однородный наклон, который «не замечает» разломную зону (рис. 1, в).
Рис. 1. Определение типа аномалий вертикальных движений в зонах разломов (схема для трех реперов):
а) чистый изгиб; б) неоднородное деформирование (сдвиг); в) однородный
наклон; 1 - положение разломов; 2 - местоположение реперов
Этот параметр удобно применять для изучения периодов нарушения однородности деформирования при проведении наблюдений на режимных прираз-ломных участках. Однако принципиально важно отметить, что высокая степень неоднородности (Р^-1) может быть обусловлена как локальным проявлением сдвигов бортов разлома (£-аномалия), так и изгибом (в- и у - аномалии) в окрестностях тектонического нарушения.
Для того, чтобы разделить вклад каждого из типов аномалий, параметр Р был модифицирован в параметр Q [3]. В новом параметре Q в рассмотрение введено не две секции нивелирования (три пункта, разлом проходит через одну из секций), а три секции (четыре пункта, разлом проходит через среднюю секцию) (рис. 2).
в)
Яр1
Р1 р2 О О - 1
и к
/з
ЯР2 ^г
Крз Ярл
Р1=Р2=0 О +/
/з
Кр2 11рэ 11р4
Рис. 2. Определение типа аномалий вертикальных движений в зонах разломов (схема четырех реперов):
а) однородный наклон; б) изгиб; в) сдвиг; г) изгиб со сдвигом по разлому; д) наклон со сдвигом; 1 - положение разломов; 2 - местоположение реперов
Для однозначного выявления ^-аномалии, как ступенеобразного вертикального сдвига в зоне разлома, используется естественное геодинамическое условие: дифференцированные смещения смежных реперов внутри блоков должны устремляться к нулю, а разность вертикальных смещений реперов в секции, пересекающей разлом, должна быть максимальна. В этом случае «дефектная» секция, внутри которой находится разрывное нарушение, является областью локального деформирования, а левая и правая секции могут быть условно названы «региональными». Для того, чтобы для четырех пунктов ввести параметр, аналогичный Р, необходимо рассмотреть суперпозицию трех левых и трех правых пунктов. Для них необходимо найти соответствующие наклоны а1 и а2 и изгибы в(у)1 и в(у)2- Средние значения наклона и изгиба будут
- 1 ( \ 1 а = — •( + —2 ) = —■
аИ1 аИ2 аН
■ +
11 12
+ •
I
(2)
3 У
Р = | •(), +Р(у)2 )) •
И аИ3
V 11
I
(3)
з У
Тогда для определения величин «региональных» наклона и изгиба необходимо исключить «дефектную» секцию, которая искажает их значения
1
- п = _' р 2
2 аЪ,
V 12
аИ1 аИ3
Т" т
3 У
Так как в общем случае имеет место суперпозиция регионального наклона, изгиба и дифференцированных движений бортов разлома, то сначала необходимо освободиться от «регионального» наклона, для чего введена величина модифицированного наклона а*
* _ 1
а = а - ар = — р 4
дК дИ3 1 + ■ 3
V 11
I
(5)
3 У
Затем, освобождаясь от «регионального» изгиба, аналогично вводится мо*
дифицированный изгиб Р(у)
* - 1
Р(у) = Р(У)-Р(У) = -
дН3 дН1
V 1з 11
(6)
Из величин а * и Р(у)* образуется параметр Q, аналогичный Р
б
* 1 а - р(у)'
* а + Р(у)"
(7)
В зависимости от соотношения а * и Р(у)* параметр б изменяется в интервале |-1; 1| аналогично параметру Р. Если разлом, который пересекает нивелирный профиль, не активен, а вертикальные движения земной поверхности проявляются в виде однородного наклона, то значение б = 0 (рис. 2, а). Величина б = -1 означает наличие Р(у)-аномалии (рис. 2, б). Значению б = +1 соответствует аномалия (рис. 2, в).
Данная методика применялась для оценки степени однородности деформирования разломных зон в Копетдагском сейсмоактивном регионе [3]. Кроме этого, в нескольких работах В. Г. Колмогорова этот подход активно использовался для оценки характера современной кинематической активности разломов Сибири [16-20]. В этих работах методика формализованных критериев Р и б применялась на основе результатов повторных нивелирных наблюдений вдоль длинных (региональных) профилей различной протяженностью (от 86 до 1 166 км). Среднее расстояние между реперами составляло примерно 9,5 км. Для ряда разломов Алтае-Саянской области был определен тип деформации земной поверхности. На основании таблицы, приведенной в работе [21], самый распространенный тип деформации, выявленный по результатам анализа нивелирных профилей, -это ^-аномалии. Более того, по этим исследованиям не были обнаружены аномалии типа у.
Отсутствие аномалий локального изгиба и доминирование аномалий типа £ объясняется не только тем, что расстояния между реперами оказались весьма значительными. Дело в том, что детальный анализ различных кинематических
ситуаций показал некоторую ограниченность предложенного параметра Q. Из рис. 2 следует, что одному и тому же значению параметра могут соответствовать не только «чистые» аномалии сдвига, изгиба и наклона, но и комбинированные варианты аномалий. Например, рис. 2, г отражает изгиб со сдвигом по разлому, а рис. 2, д - наклон со сдвигом.
Для того, чтобы увеличить эффективность использования безразмерных параметров для типизации кинематических режимов современной динамики разломных зон, в данной работе предложен новый подход. В качестве основных морфологических признаков сдвига и изгиба предложено использовать характер поведения вертикальных смещений непосредственно в зоне разлома. Для этой цели были использованы расчетные вертикальные смещения поверхности от моделей сдвиговых и раздвиговых разломов, которые описывают формирование локальных деформаций для Б- и у-аномалий, соответственно (рис. 3).
У аномалия
Рис. 3. Распределение расчетных вертикальных смещений земной поверхности,
моделирующих Б- и у-аномалии
На рис. 3 показаны кривые, построенные в рамках дислокационной модели сдвиговых [22, 23] разломов и модели раздвиговых разломов [2, 14], при которых формируются локальные оседания земной поверхности в окрестности разлома. Как видно из рисунка, при использовании схемы для пяти реперов, когда средний репер (№2 3) расположен в центральной части разлома, кинематика реперов № 2, 3, 4 для обеих типов аномалий представляет собой наклон (Б-анома-лия) и симметричный изгиб (у-аномалия).
Для того, чтобы для пяти пунктов ввести параметры, аналогичные Р и Q, необходимо снова рассмотреть суперпозицию трех левых и трех правых реперов. Для них следует найти средние значения наклона и изгиба, а затем вычесть их региональные (фоновые значения) аналогично той процедуре, которая была
использована выше. После проведения необходимых преобразований были получены значения для модифицированного наклона а*
а = а - а,ф =
1 4
^дИ2 ^ дИ3 дН1
V
и
I
11 у
Аналогично получено выражение для модифицированного изгиба в (у)*:
(8)
в (У)' = в (У)- в (У )ф = 4 •
^дИ4 ^ дк3 дк1 дИ2 ^
V 14
и
11 I
(9)
2 У
Из величин а * и Р(у)* вычисляется параметр Р, аналогичный параметру Q, построенному для схемы четырех реперов
Р =
* а — в (т )*
* а + в (у)'
(10)
В зависимости от соотношения а * и в (у)*, параметр Р изменяется в интервале |-1; 1| аналогично параметру Q. Значению Р= -1 соответствуют £-аномалии, значение Р = +1 означает доминирование в зоне разлома Р(у)-аномалии (региональный и локальный изгиб, соответственно). Таким образом, параметр Р служит своеобразным фильтром, который производит селекцию типов аномалий, когда спектр наблюдаемых движений состоит из совокупности аномалий различных типов.
Отсюда вытекает следующая методика количественного определения степени однородности деформирования и выявления типов аномальных движений. На первом этапе по определяются параметры Р1 и Р2 (для трех левых и для трех правых пунктов). Следует подчеркнуть, что схема для пяти реперов, в отличие от схемы для четырех реперов, позволяет проводить эту процедуру без перекрытия значений превышений, полученных на смежных секциях. Именно это позволяет в рамках схемы для пяти реперов проводить более строгую селекцию аномалий.
Если Р1 и Р2 ^1, то это свидетельствует в пользу высокой степени однородности деформирования и отсутствия аномальных, локальных смещений непосредственно в зоне разлома. Если среднее значение Рср = 0,5 (Р1 + Р2) ^0, то в этом случае имеют место аномальные движения. Рассчитанный в этом случае параметр Р свидетельствует о том, какой именно тип аномалии доминирует в данной разломной зоне.
Касаясь применения формализованных критериев разделения аномалий в пространственном масштабе, следует заметить, что, имея формулы для параметров Р и Р, а также задаваясь выявленными характеристиками аномалий (размер Ь и соотношение А И /1), можно проводить скользящее определение
и разделение типов аномального деформирования вдоль протяженных нивелирных линий, пересекающих несколько разломных зон.
Следует отметить, что в зависимости от пространственной детальности измерений параметр ^ способен выявлять, как региональный (в-аномалия), так и локальный (у-аномалия) изгибы. Учитывая, что в последние годы резко усилился интерес к выявлению зон опасных разломов [4, 12], расположенных как в нефтегазоносных, так и сейсмоактивных регионах, ниже демонстрируются возможности предлагаемой методики для выявления характера локального деформированного состояния разломных зон, когда пространственная детальность наблюдений (расстояние между реперами) достигала 50-100 м.
На рис. 4 представлены данные нивелирования, полученные при геодинамическом мониторинге подземного хранилища газа (ПХГ). Графики построены в «пульсационном» представлении, когда каждое текущее значение смещений построено относительно предыдущего цикла измерений [7, 10]. Подобное построение наиболее удобно при анализе повторных наблюдений на объектах, испытывающих циклическое (периодическое) нагружение. Именно таким объектом является ПХГ, когда закачка и отбор газа производятся строго два раза в год на протяжении десятков лет.
07.11.2012 - 30.11.2012 ЦИКЛ 2-1
27.03.2012 - 31.05.2012
2 ■4 Б
Рис. 4. Результаты повторных высокоточных нивелирных наблюдений на одном из подземных хранилищ газа. Пунктирными линиями обозначены разломные зоны
Как видно из рис. 4 в выделенных четырех разломных зонах наиболее ярко видны локальные аномальные смещения. Очевидно, что в период отбора газа (цикл 2-1) в зонах разломов имеют места локальные просадки земной поверхности. В цикле 3-2 (нейтральный период) локальные аномалии продолжают инерционно развиваться. И наконец, в цикле 4-3, который соответствует максимальной закачке газа, аномальные вертикальные смещения земной поверхности испытывают инверсию движения. Это свидетельствует о том, что циклические воздействия на геологическую среду приводят к тому, что меняется кинематика (тип подвижек земной поверхности) в зонах разломов, которые имеют места в геологическом разрезе данного подземного хранилища газа.
При формализованном анализе данных при помощи параметра Р совсем не обязательно сравнивать графики в целом. Для начала достаточно, используя параметр Р, выявить зоны неоднородного деформирования, а затем выбрать конкретную разломную зону и с помощью параметра Р фиксировать динамику изменения типа деформирования земной поверхности во времени. При этом важно помнить, что расчет безразмерных параметров осуществляется только после тщательной метрологической селекции данных и, в первую очередь, исключения сезонных и других периодически действующих помех на основе спектрально-временного анализа [24].
На рис. 5 показана динамика изменения характера деформирования земной поверхности в первой разломной зоне. В цикле 2-1 в ноябре 2012 г. во время отбора газа года хорошо прослеживается локальный изгиб (у-аномалия), где Р = 0,8. В цикле 3-2, когда измерения попали на нейтральный период работы ПХГ, Р = 0,1, что говорит о том, что в этот момент преобладает практически однородный наклон и, наконец, в цикле 4-3 Р = -0,35, что соответствует преобладанию в данной области сдвига (^-аномалии).
$ Параметр £
■0,5 -1
Апрель 2012 Июль 2012 Октябрь 2012 Январь 2013 Май 2013 Август 2013
Рис. 5. Динамика параметра Р на примере первой слева
разломной зоны
Другой пример эффективного использования безразмерных параметров иллюстрируется на примере уникальных высокоточных многократных нивелирований на геодинамическом полигоне, расположенном в пределах Камчатского сейсмоактивного региона [25]. Нивелирный профиль, пересекающий три локальные зоны разломов, выявленных по геолого-геофизическим данным, длиной 2,6 км повторялся 155 раз в течение почти трех лет с частотой опроса 1-2 раза в неделю. Наблюдения проводились по программе 1-го класса. Расстояние между реперами составило 80-100 м (рис. 6).
ДЬ|, м
> V
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Рис. 6. Распределение вертикальных смещений земной поверхности на нивелирном профиле относительно первого репера (Камчатка)
На рис. 6 показано пространственное распределение вертикальных смещений земной поверхности вдоль этого профиля за весь период наблюдений. Очевидно, что разломные зоны представлены тремя аномальными просадками типа у. Характерным для всех трех аномалий является ярко выраженный пульса-ционный и симметричный характер просадок. Периоды интенсивного опускания перемежаются с периодами относительного покоя, затем процесс проседания возобновляется. В отдельные промежутки времени наблюдаются периоды незначительных (меньших на порядок) инверсионных движений. Амплитуды локальных максимумов в этот период незначительно уменьшаются. Однако в целом имеет место устойчивая тенденция к пульсационному, последовательному проседанию локальных участков земной поверхности. Ширина аномалий колеблется от 200 до 500 м, а их амплитуда достигает 10-12 см, длительность пульсационных процессов заключена в интервале от нескольких недель до нескольких месяцев. Среднегодовая скорость относительных деформаций достигает величин 10-4 в год [26].
Из рис. 7 видно, что характер деформирования трех разломных зон в течение времени эволюционирует различным образом. Параметр ^ для левого и правого разлома на протяжении всего периода наблюдений устойчиво отме-
чает доминирование аномалии локального изгиба (тип у). Исключение составляет период с декабря 1997 г. по апрель 1998 г., в течение которого произошла подготовка и реализация ощутимого Камчатского землетрясения с М = 7,1, которое произошло на расстоянии около 100 км от нивелирного профиля [27]. Этот период характерен тем, что в зоне этих разломов к локальным изгибам (просадкам земной поверхности) добавляются и незначительные сдвиговые перемещения, которые изменяют значение параметра Р с 0,95 до 0,5. Это означает, что в сложном приразломном движении, в котором всегда присутствует суперпозиция изгибов и сдвигов земной поверхности, деформация локального изгиба вначале превосходила сдвиговую почти в 40 раз, а в период подготовки землетрясения - всего в 3 раза.
Г
■V
V для левой разломной зоны
1,00 , - и ». I I. ^
0,50 ' 0,00 -0,50 -1,00
о°> <£> ,сР> Д ¿V гЛу Л Л Л Л
^ ^ ^ ^ # Л? ^ ¿Р Л?
Р для средней разломной зоны
1,00 0,50 0,00 -0,50 -1,00
^ ф ^ ф ^ # ф ^ ф ^ ^ Л ^ ^ ф ^ ф / # ^ ^ л^ ^ ^ ^ ^ # / ^ ^ ^ ^ ^
^ ЯР
£ для правой разломной зоны
1,00 0,50 0,00 -0,50 -1,00
# # # # & & # # # # & # # # #
Рис. 7. Временной ход параметра Р для нескольких приразломных зон (Камчатка)
Совершенно иной характер имеет поведение деформационного процесса в средней сдвиговой зоне. Там среднее значение параметра ^ = -0,7 отмечалось в течение всего первого года наблюдений. Затем в течение полугода знак параметра изменился на противоположный и с августа 1991 г. происходили знакопеременные флуктуации параметра К Это свидетельствует о том, что в среднем разломе присутствует полный набор кинематических ситуаций. Есть периоды, когда сдвиговые смещения превалируют над оседаниями, и существуют интервалы времени, когда доминируют локальные изгибы. В среднем за весь период наблюдений локальные изгибы (оседания) превосходят сдвиги примерно в 5 раз, что и отразилось в итоговой, накопленной кривой вертикальных смещений в пределах среднего разлома.
Таким образом, разработанная формализованная методика исследования режимов локальных движений земной поверхности в зонах активных разломов является пространственным фильтром, позволяющим осуществлять селекцию сложного деформационного процесса по элементарным (базовым) кинематическим типам смещений, используемым в геометрической теории деформаций. Кроме того, этот подход позволяет исследовать тектонофизические и геомеханические закономерности формирования и развития процессов разломообразо-вания в земной коре.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика разломных зон осадочных бассейнов и процессы подготовки землетрясений // Прогноз землетрясений. - 1989. - № 11. - С. 52-60.
2. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. - М. : Агентство экономических новостей, 1999. - 220 с.
3. Сидоров В. А., Кузьмин Ю. О. Современные движения земной коры осадочных бассейнов. - М. : Междуведомственный геофизический комитет СССР, 1989. - 189 с.
4. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика разломов и эколого-промышленная безопасность объектов нефтегазового комплекса // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2007. - № 1. - С. 33-41.
5. Кузьмин Ю. О. Актуальные проблемы идентификации результатов наблюдений в современной геодинамике // Физика Земли. - 2014. - № 5. - С. 51-64.
6. Хисамов Р. С, Гатиятуллин Н. С., Кузьмин Ю. О. и др. Современная геодинамика и сейсмичность Юго-Востока Татарстана / под ред. Р. С. Хисамова и Ю. О. Кузьмина. - Казань: Фэн, 2012. - 240 с.
7. Анализ деформаций земной поверхности на Степновском подземном хранилище газа методами спутниковой и наземной геодезии / С. С. Квятковская, Ю. О. Кузьмин, Р. С. Никитин, Е. А. Фаттахов // Вестник СГУГиТ. - 2017. - Т. 22, № 3. - С. 16-32.
8. Инклинометрические наблюдения на месторождении им. Ю. Корчагина / Ю. О. Кузьмин, А. В. Дещеревский, Е. А. Фаттахов, Д. К. Кузьмин, А. А. Казаков, Д. В. Аман // Геофизические процессы и биосфера. - 2018. - Т. 53, № 3. - С. 31-41.
9. Кузьмин Ю. О. Проблемные вопросы изучения деформационных процессов в современной геодинамике // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 3. -С. 98-107
10. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика разломных зон: разломообразование в реальном масштабе времени // Геодинамика и тектонофизика. - 2014. - Т. 5, № 2. - С. 401-443.
11. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика системы разломов // Физика Земли. -
2015. - № 4. - С. 25-30.
12. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика опасных разломов // Физика Земли. -
2016. - № 5. - С. 87-101.
13. Кузьмин Ю. О. Парадоксы сопоставительного анализа измерений методами наземной и спутниковой геодезии в современной геодинамике // Физика Земли. - 2017. - № 6. -С. 24-39.
14. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика раздвиговых разломов // Физика Земли. - 2018. - № 6. - С. 87-105.
15. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела : учеб. пособие для вузов. - М. : Наука, 1979. - 743 с.
16. Колмогоров В. Г., Колмогорова П. П. Современная кинематика земной поверхности юга Сибири. - Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1990. - 153 с.
17. Колмогоров В. Г. Оценка современной кинематики разломов Сибири по геодезическим данным // Методика и результаты изучения пространственно-временных вариаций геофизических полей : сб. науч. тр. РАН, Сиб. отд-ние: Объед. ин-т геологии, геофизики и минералогии. Науч. редакторы А. Д. Дучков, В. В. Кузнецов. - Новосибирск, 1992. - С. 159-172.
18. Колмогоров В . Г. Методика и результаты изучения кинематических характеристик земной поверхности по данным повторного нивелирования. // Современная геодинамика литосферы Сибири : сб. науч.тр. АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т геологии и геофизики. - Новосибирск : ИГиГ, 1986. - 173 с.
19. Колмогоров В. Г. К вопросу тектонофизической интерпретации геокинематических параметров Сибири // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск : СГГА, 2009. Т. 1, ч. 2. - С. 122-126.
20. Колмогоров В. Г., Асташенков Г. Г. О возможности изучения деформационного состояния земной поверхности по результатам повторного высокоточного нивелирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. - С. 16-17.
21. Колмогоров В. Г., Лисицкий Д. В. Современная активность разломов и сейсмичность Алтае-Саянской области // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка . - 2013. - № 4/C. -С. 28-32
22. Okada Y. Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space // Bull. Seismol. Soc. Am. - 1985. - Vol. 75. - P. 1135-1154.
23. Okada Y. Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space // Bull. Seism. Soc. Am. - 1992. - Vol. 82. - P. 1018-1040.
24. Фаттахов Е. А. Спектрально-временной анализ светодальномерных наблюдений на Камчатском и Ашхабадском геодинамических полигонах // Вестник СГУГиТ. - 2017. - Т. 22, № 4. - С. 5-17.
25. Churikov V. A., Kuzmin Yu. O. Relation between deformation and seismicity in the active fault zone of Kamchatka, Russia // Geophysical Journal International. - 1998. - Vol. 133. -P.607-614.
26. Грунин А. Г., Кузьмин Ю. О., Фаттахов Е. А. Проблемные вопросы проектирования геодинамических полигонов на месторождениях УВ // Маркшейдерский вестник. -2014. - № 6. - С. 24-31.
27. Кузьмин Ю. О., Чуриков В. А. Механизм формирования аномальных деформационных процессов в период подготовки Камчатского землетрясения 2 марта 1992 г. // Вулканология и сейсмология. - 1998. - № 6. - С. 37-50.
Получено 03.10.2018
© Ю. О. Кузьмин, Е. А. Фаттахов, 2018
ANALYSIS OF OBSERVATION REPEATED LEVELING IN FAULT ZONES METHODS OF DEFORMATION THEORY
Yurii O. Kuzmin
Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, 10-1, Bolshaya Gruzinskaya St., Moscow, 123242, Russia, D. Sc., Professor, Head of the Laboratory of Recent and Applied Geodynamics, phone: (499)254-65-65, e-mail: kuzmin@ifz.ru
Evgeniy A. Fattakhov
Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, 10-1, Bolshaya Gruzinskaya St., Moscow, 123242, Russia, Junior Researcher, phone: (499)254-65-65, e-mail: Fea@ifz.ru
Due to the need for tectonophysical interpretation of anomalous vertical displacements of the earth's surface in active fault zones, a formalized approach was proposed for the selection of movement types. The classification of anomalous, vertical displacements of the earth's surface in fault zones is given. It is shown that all abnormal changes are reduced to three main types of deformations: regional bending, local bending and vertical shear. On the basis of the geometric theory of deformations, dimensionless parameters are used to reveal the dominance of basic geomechanical mechanisms (vertical shear, alternating bending) in time. On a number of geodynamic polygons (seismoprognostic and technogenic), the implementation of the entered parameter F, which is a spatial filter, is shown, which reveals the dominant role of a specific type of anomalous activation. The materials of repeated leveling observations along profiles crossing several fracture zones are presented. The periods of changing the local mechanism of deformation activity of faults in time are revealed. A technique has been developed that allows averaging of shear and bending movements along leveling lines intersecting several fault zones and establishing the dominant type of anomalies over the entire observation period for each fracture.
Key words: modern geodynamics, geodynamic monitoring, geodesy, leveling, vertical movements, fault zones, deformation processes in fault zones, observations.
REFERENCES
1. Kuzmin, Yu. O. (1989). Recent geodynamics and evaluation of geodynamic risk at use of subsoil resources. Prognoz zemletrjasenij [Forecast of Earthquakes], 11, 52-60 [in Russian].
2. Kuzmin, Yu. O. (1999). Sovremennaja geodinamika i ocenka geodinamicheskogo riskapri nedropol'zovanii [Recent geodynamics and evaluation of geodynamic risk at use of subsoil resources]. Moscow: Agentstvo jekonomicheskih novostej, 220 p. [in Russian].
3. Sidorov, V. A., & Kuzmin, Yu. O. (1989). Sovremennye dvizhenija zemnoj kory osadochnyh bassejnov [Recent crustal movements in sedimentary basins]. Moscow: Mezhduvedomstvennyj geofizicheskij komitet SSSR, 189 p. [in Russian].
4. Kuzmin, Yu. O. (2007). Recent geodynamics of faults and environmental and industrial safety of oil and gas facilities. Geologija, geofizika i razrabotka neftjanyh i gazovyh mestorozhdenij [Geology, geophysics and development of oil and gas fields], 1, 33-41 [in Russian].
5. Kuzmin, Yu. O. (2014). The topical problems of identifying the results of the observations in recent geodynamics. Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 50(5), 641-654.
6. Khisamov, R. S., Gatiyatullin, N. S., Kuzmin, Yu. O., et al. (2012). Sovremennaja geodinamika i sejsmichnost' Jugo-Vostoka Tatarstana [Recent Geodynamics and Seismicity of the Southeastern Tatarstan]. R. S. Khisamov, & Yu. O. Kuzmin (Eds.). Kazan: Fen Publ., 240 p. [in Russian].
7. Kwiatkowska, S. S., Kuzmin, Yu. O., Nikitin, R. S., & Fattakhov, E. A. (2017). Analysis of the deformations of the ground surface on Stepnovskaya underground gas storage by methods of satellite and ground-based geodesy. Vestnik SGUGiT[Vestnik SSUGT], 22(3), 16-32 [in Russian].
8. Kuzmin, Yu. O., Deshcherevskii, A. V., Fattakhov, E.A., Kuzmin, D. K., Kazakov, A. A., & Aman, D. V. (2018). Analysis of the results of inclinometric observations at the field of Yu. Korchagin. Geofizicheskie processy i biosfera [Geophysical Processes and Biosphere], 53(3), 3141 [in Russian].
9. Kuzmin ,Yu. O. (2008). Problematic issues of studying the deformation processes in recent geodynamics. Gornij informationij-analyticheskij bulletin [Mountain Information and Analytical Bulletin], 3, 98-107 [in Russian].
10. Kuzmin, Yu. O. (2014). Recent geodynamics of fault zones: faulting in real time scale. Geodynamics & Tectonophysics, 5(2), 401-443 [in Russian].
11. Kuzmin, Yu. O. (2015). Recent geodynamics of a fault system. Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 51(4), 480-485.
12. Kuzmin Yu. O. (2016). Recent geodynamics of dangerous faults. Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 52(5), 709-722.
13. Kuzmin, Yu. O. (2017). Paradoxes of the comparative analysis of ground-based and satellite geodetic measurements in recent geodynamics, Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 53(6), 825-839.
14. Kuzmin, Yu. O. (2018). Recent geodynamics of tensile faults. Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 54(6), 886-903.
15. Rabotnov, Ju. N. (1973). Mehanika deformiruemogo tverdogo tela [Mechanics of a de-formable solid]. Moscow: Nauka Publ., [in Russian].
16. Kolmogorov, V. G., & Kolmogorova, P. P. (1990). Sovremennaja kinematika zemnoj poverhnosti juga Sibiri [Recent kinematics of the earth's surface of the south of Siberia]. Novosibirsk: Nauka Publ. Sibirskoe otdelennie, 153 p. [in Russian].
17. Kolmogorov, V. G. (1992). An estimation of recent kinematics of faults of Siberia on geodetic data. In Sbornik nauchnyh trudov AN SSSR: Sovremennaja geodinamika litosfery Sibiri. In-t geologii i geofiziki [Method and results of studying the space-time variations of geophysical fields: Sat. sci. tr. RAS, Sib. Division: Co-ed. Institute of Geology, Geophysics and Mineralogy. Scientific. editorsA.D. Duchkov, V.V. Kuznetsov.] (pp. 159-172). Novosibirsk: IGiG Publ. [in Russian].
18. Kolmogorov, V. G. (1986). Method and results of studying the kinematic characteristics of the earth's surface from the data of repeated leveling. In sbornik nauchnyh trudov AN SSSR: Sovremennaja geodinamika litosfery Sibiri [Collection of Scientific Papers: Method and Results of Studying the Space-Time Variations of Geophysical Fields] (173 p). Novosibirsk: IGiG Publ. [in Russian].
19. Kolmogorov, V. G. (2009). On the tectonophysical interpretation of the geokinematic parameters of Siberia. In Sbornik materialov GEO-Sibir'-2019: T. 1, ch. 2 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2015: Vol. 4, Part 2] (pp. 122-126). Novosibirsk: SSGA Publ. [in Russian].
20. Kolmogorov, V. G., & Astashenkov, G. G. (2012). On the possibility of studying the deformation state of the earth's surface from the results of repeated high-precision leveling. Izvestiya vuzov. Geodezija i ajerofotos'emka [Izvestiya Vuzov. Geodesy and Aerophotography], 2/1, 16-17 [in Russian].
21. Kolmogorov, V. G., & Lisickij, D. V. (2013). Current fracture activity and seismicity of the Altai-Sayan region. Izvestiya vuzov. Geodezija i ajerofotos'emka [Izvestiya Vuzov. Geodesy and Aerophotography], 4/C, 28-32 [in Russian].
22. Okada, Y. (1985). Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space. Bull. Seismol. Soc. Am., 75, 1135-1154.
23. Okada, Y. (1992). Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space. Bull. Seism. Soc. Am., 82, 1018-1040.
BecmHUK CrvruT, TOM 23, № 4, 2018
24. Fattakhov, E. A. (2017). Spectral-temporal analysis of laser rangefinder observations on the Kamchatsky and Ashgabad geodynamic polygons. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 22(4), 5-17 [in Russian].
25. Churikov, V. A., & Kuzmin, Yu. O. (1998). Relation between deformation and seismicity in the active fault zone of Kamchatka, Russia. Geophysical Journal International, 133, 607-614.
26. Grunin, A. G., Kuzmin, Yu. O., & Fattakhov, E. A. (2014). Problematic issues of design of geodynamic grounds on UV fields. Markshejderskij vestnik [Mine Surveying Bulletin], 6, 24-31 [in Russian].
27. Kuzmin, Yu. O., & Churikov, V. A. (1999). Anomalous strain generation mechanism before the march 2, Kamchatkan earhhquake. Journal of Volcanology and Seismology, 20(6), 641-656.
Received 03.10.2018
© Yu. O. Kuzmin, E. A. Fattakhov, 2018
