CC BY
22
УДК 551. 24 Ю.О. Кузьмин ИФЗ РАН, Москва
АВТОВОЛНОВЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНАХ РАЗЛОМОВ
Yu.O. Kuzmin
Schmidt Institute of Physics of the Earth (Russian Academy of Sciences Str. B. Gruzinskaya 10, Moscow, 123995, Russian Federation
THE AUTOVAVE GEODANAMIC PROCESSES IN THE FAULT ZONES
The investigations of recent dynamics of the geological medium by geodetic, geophysic and seismologic methods indicate to existence of high activity of the fault zones. This processes have autovave character, the migration of deformational front is realized from one fault zone to another with the rate velocity of about 20 km/ year.
При тектонофизической интерпретации данных геодинамического мониторинга природно-технических систем возникают существенные противоречия при сопоставлении пространственно-временных характеристик наблюдаемых процессов и аналогичных характеристик геологической среды.
Результаты исследования современной геодинамической активности разломных зон проводимое геодезическими (спутниковыми и/или наземными) и геофизическими (наклономерно - деформографическими) методами, зачастую входят в существенное противоречие с аналогичными данными, получаемыми геолого-геоморфологическими методами.
Так, хорошо известный парадокс «больших скоростей современных вертикальных движений земной поверхности» в платформенных регионах возник в результате сопоставления результатов повторных нивелирных наблюдений с существующими геотектоническими построениями для различных структур. Выявленные среднегодовые скорости вертикальных смещений на уровне первых мм в год должны были бы привести к возникновению существенных гор и впадин на платформах, что, естественно, не наблюдалось в действительности. Тогда, в 60-ые годы прошлого века, удалось разрешить этот парадокс, показав, что современные движения земной поверхности на платформах имеют колебательный (знакопеременный) характер своего проявления, что не позволяет сформировать интенсивные положительные или отрицательные формы рельефа за длительный интервал времени.
Позднее удалось строго показать, что решение этого парадокса достигается введением двух масштабов времени протекания процессов: «современного» и «геологического» [1]. При этом «современный» масштаб времени протекания процессов достаточно строго определяется интервалами времени порядка 10-1- 101 лет и продиктован условием, когда «начало» и «завершение» наблюдаемого процесса целиком укладывается в интервал между повторными циклами измерений.
В последнее время, благодаря широкому применению методов GPS наблюдений для изучения современных движений (в первую очередь горизонтальных) земной поверхности, появились новые данные о среднегодовых скоростях относительных деформаций. Анализ этих данный позволяет сформулировать «Парадокс малых скоростей современных горизонтальных деформаций земной поверхности»», когда по данным GPS измерений среднегодовые скорости относительных деформаций составляют величины 10-9 - 10-10 в год, в то время, как по данным наземных геодезических и деформографических наблюдений, скорости современных горизонтальных деформаций земной поверхности имеют порядок 10-5 - 10-6 в год. Этот парадокс также разрешается введением двух масштабов расстояний измеряемых процессов: «блоковым» и «разломным».
Тектонофизический анализ пространственно-временной структуры современных движений земной поверхности, проведенный для регионов с различными геодинамическими характеристиками, показал, что причиной отклонения скорости, направленности и уровня современных движений от процессов, унаследованных от прошлых геологических эпох, являются деформации земной поверхности, локализованные в пределах разломных зон.
Иными словами, если считать реально существующей «иерархию пространственных масштабов» организации геоструктурных элементов, то автоматически необходимо вводить «иерархию времен» протекания процессов.
Детальное изучение пространственно-временных особенностей формирования аномальных геодинамических явлений, полученных по большому массиву повторных геодезических, геофизических и сейсмологических наблюдений, позволило установить наличие волновых деформационных процессов в разломных зонах ряда осадочных бассейнов [2].
Эти волны регистрировались в виде последовательности возникновения геодинамических аномалий на смежных разломах (от одного разлома к другому и т.д.) или на смежных фрагментах в пределах одной и той же зоны разлома. Наблюдаемые процессы носили характер «эстафетной передачи» аномальной активности от одного геодинамически активизированного объекта к другому.
Создавалось впечатление, что по пространству распространяется волна возбуждения аномальных деформационных процессов, причем в качестве возбудимых элементов выступали зоны разломов или их активизированные фрагменты.
Было показано, что скорости распространения деформационных волн заключены в диапазоне от первых километров в год до десятков километров в год в зависимости от характера распространения этих волн. Основное различие в характере распространения этих зон заключается в том, что в случае передачи деформационного возбуждения от разлома к разлому (межразломная волна) значение скорости заключено в интервале от 3 км/год до 30 км/год. Если же возбуждение процессов протекает в пределах одной
разломной зоны (внутриразломная волна), то скорость меняется от 30 км/год до 60 км/год.
Резюмируя эти результаты, можно высказать мнение, что пространственно-временная миграция аномалий современных движений земной поверхности является следствием автоволновых деформационных процессов в геодинамически активной, возбудимой геологической среде, являющейся открытой системой.
Действительно, изолированные на первый взгляд, разломные зоны имеют возможность обмениваться как энергией (за счет взаимодействия аномальных локальных полей напряжений и деформаций), так и веществом (за счет флюидодинамических процессов, присущих разломным зонам осадочных бассейнов), что и формирует автоволны деформаций.
Иными словами, в условиях постоянной энергетической подпитки со стороны региональных и глобальных геодинамических процессов обеспечивается существование автоволновых пространственно-временных структур, выражающихся в эффектах триггерного взаимодействия и перезапуска активности, смежных геодинамически возбудимых разломных зон и их фрагментов.
Следует особо подчеркнуть, что автоволновые деформационные процессы существенным образом отличаются от обычных (линейных) волновых процессов.
Наиболее привычным типом волн являются волны в линейных средах -световые, акустические, радиоволны и т.п. Автоволны - совершенно другие волновые образования. Их свойства существенно отличаются от привычного характера поведения обычных волн.
Таблица 1. Сравнение свойств волн и автоволн
Свойство Волны Автоволны
Сохранение энергии + -
Сохранение амплитуды и формы - +
Интерференция + -
Аннигиляция - +
Отражение + -
Дифракция + +
Как видно из таблицы, почти по всем признакам свойства автоволн и волн диаметрально противоположны. Линейные волны хорошо распространяются в средах, где диссипация энергии отсутствует или очень мала; в противном случае они быстро затухают.
Автоволны распространяются в средах, далеких от равновесия. В этих средах потери на диссипацию велики, но они компенсируются при прохождении волны за счет подвода энергии от распределенного внешнего источника. Роль такого внешнего источника может играть также распределенный по среде большой запас энергии: при прохождении отдельной волны расходуется лишь очень малая часть этого запаса.
Форма, амплитуда и скорость автоволны определяются однозначно свойствами самой активной среды и не зависят от начальных условий. Эти характеристики автоволн восстанавливаются после малых возмущений. Все автоволны в активной среде одинаковы. Такая устойчивость не характерна для волн в линейных средах.
Если среда описывается линейными уравнениями, для распространяющихся в ней волн справедлив принцип суперпозиции: при встрече двух волн наблюдается простое наложение их амплитуд и связанные с ним явления интерференции, хорошо известные из оптики. В отличие от этого при столкновении двух волн в возбудимой среде происходит их полное взаимное погашение (аннигиляция).
Это свойство автоволн легко понять, вспомнив, что их типичным примером является волна горения в среде с восстановлением. Две волны горения не могут пройти друг сквозь друга и гаснут при встрече.
Электромагнитные и звуковые волны отражаются от препятствий и границы среды. Отражения автоволн никогда не наблюдаются (что вновь очевидно на примере волн горения).
Лишь один признак - дифракция - присущ одновременно обоим типам волн. Как и в оптике, положение фронта волны возбуждения в следующий момент времени может быть построено по принципу Гюйгенса.
Очень часто происходит смешение понятий и в качестве демонстрации автоволновых процессов используются представления о солитонах. Коренное отличие автоволн от уединенных волн (солитонов) в нелинейных консервативных средах заключается в том, что в противоположность автоволнам скорость, форма и амплитуда солитонов зависят не только от параметров среды, но и от условий его образования.
В одной и той же среде можно создать солитоны, движущиеся с разными скоростями и имеющие разную амплитуду. Включение диссипации приводит к торможению солитонов.
Солитоны - сильно нелинейные объекты, и при их столкновении принцип суперпозиции не выполняется. Тем не менее, они ведут себя во многом подобно невзаимодействующим частицам. После столкновения солитоны восстанавливают свою форму и продолжают двигаться с теми же скоростями и в тех же направлениях, что и до встречи. Свойством аннигиляции солитоны не обладают.
В работе [2] представлена модель формирования автоволновых геодеформационных процессов. В рамках этой модели получено уравнение нелинейной диффузии смещений земной поверхности
— = D • Д[/ + F(í/),
а£
(1)
где Д - Лапласиан, й - коэффициент диффузии смещений, F(í/) -локальный закон роста аномальных смещений на разломе.
Обобщение большого набора эмпирических данных позволяет в качестве локального закона роста аномальных смещений использовать функцию вида
F«/)=f(l--^-), (2)
Lo итах
где Umax - максимальное смещение аномалии за период tg. Оказалось, что выведенная в терминах параметрического возбуждения деформационных процессов в разломных зонах, формула (1) есть известное в теории популяционных волн уравнение Колмогорова - Петровского- Пискунова. В рамках этого формализма доказано существование решения (1) типа бегущей волны U(X + Vt), распространяющейся со скоростью
V0 = 2-D-F'(fi)f (3)
Так как в уравнении ( 2) F'(0) = 1 /to, то
V0 = 2-D/t0 (5)
Для типичных геологических сред коэффициент диффузии можно выразить в виде D = L2 /• т, где L - характерный горизонтальный размер в геодинамической аномалии, а Т - время релаксации среды. В этом случае для наиболее типичных значений приведенных параметров получается, что V лежит в интервале от 1 до 100 км/год.
Предложенная модель объясняет характерные различия в величинах скоростей межразломных и приразломных волн. Это можно
продемонстрировать на примере результатов комплексной интерпретации большого объема повторных нивелирных наблюдений в пределах Припятского прогиба [3].
Оказалось, что источники аномальных геодеформационных процессов представлены полосами широтного простирания, приуроченными к разломным зонам, причем каждая из которых состоит из набора активизированных фрагментов. Если при этом, ввести в рассмотрение расстояние между активизированными разломами (полосы) L^ и расстояние между активизированными фрагментами в пределах одной полосы L 2 , то видно, что отношение между ними будет приблизительно соответствовать
/ L2°°2 — 3.
В этом случае за одно и то же время формирования аномалии t0 диффузия смещений между разломами будет в 2-3 раза меньше, чем между фрагментами внутри разломной зоны. Результатом этого будет различие между скоростями указанных процессов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузьмин, Ю. О. Проблемные вопросы изучения деформационных процессов в современной геодинамике/ Ю. О. Кузьмин // Горный информационно - аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - № 2. - 2008. - С.17-22.
2. Кузьмин, Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании / Ю. О. Кузьмин.- М.: АЭН, 1999. -220 с.
3. Кузьмин, Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов/ Ю. О. Кузьмин // Геологическое изучение и использование недр. - М.: Геоинформмарк , №4. -1996. -С.43-53.
© Ю.О. Кузьмин, 2009
