CC BY
13НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007, Кг4
УДК 551.24 (571.56)
Геодинамические процессы Олекмо-Становой зоны и вариации
геофизических полей
Н.Н. Гриб, С.В. Трофименко, В.М. Никитин
Рассматриваются вопросы геофизического мониторинга Олекмо-Становой сейсмической зоны методом регистрации естественного импульсного электромагнитного поля земли ЭМИ - ЕИЭПЗ. Анализ сейсмической активности во времени показал, что существуют стабильные области, вероятные зоны катастрофических землетрясений. Вопросы прогнозирования места и времени землетрясений имеют самостоятельное значение и решаются независимо различными геофизическими методами. Для Южной Якутии в пределах Алданского щита на современном этапе наиболее надежные прогнозные пространственные построения осуществляются на основе долгосрочных сейсмологических исследований, тектонических и геоморфологических признаков. Прогнозирование времени предстоящего события с точностью до двух суток осуществляется проведением геофизического мониторинга.
The questions of geophysical monitoring of Olekmo-Stanovoy seismic zone (OSZ) by the method of registration natural impulse electromagnetic field of the earth 9ENI-NIEFF) are considered. The analysis of seismic activity in time has shown that there are stable areas of possible catastrophic earthquakes. The questions of forecasting time and place of time and place of the earthquarkes time and place of the earthquarkes have an independent and are solved by different geophysical methods. Nowadays for Sourhern Yakutia in the area of the area of the Aldansiy shield the most reliable forecasting spaceconstuctions are carried investigations? Tectonic and geomorphological sings. The forescastingof the coming earthquake is carried out by the conduction of geophysical monitoring with the fidelity of two days.
1. Сейсмические исследования.
Наблюдения, анализ, долгосрочный и среднесрочный прогноз
10.11.2005 г. на западе Олекмо-Становой сейсмической зоны (ОССЗ) произошло землетрясение 15-го энергетического класса. Координаты эпицентра землетрясения составили 56,7° СШ и 120,2° БД. Эпицентр землетрясения с аф-тершоками заполнил восточную часть ромбической структуры, что предполагалось ранее, как одна из вероятных возможностей развития сейсмического процесса ОССЗ [1, 2]. Землетрясению
ГРИБ Николай Николаевич - д.т.н.. профессор, зам. директора Нерюшринского технического института (филиала) ЯГУ: ТРОФИМЕНКО Сергей Владимирович - к.г.-.м.н., доцент Нерюнгринского технического института (филиала) ЯГУ; НИКИТИН Валерий Ме-фодьевич - д.г.-м.н., профессор, академик АН РС(Я), директор Нерюшрииского технического института (филиала) ЯГУ.
предшествовал длительный спад активности фоновой составляющей сейсмического режима ОССЗ с общим снижением как количества землетрясений, так и ежегодно выделяемой сейсмической энергии [3].
График накопленной высвобожденной энергии по годичным интервалам представлен на рис. 1. Собственно, это вариант интерпретации, предложенный в свое время Беньёфом, за исключением значимых сейсмических событий. Можно отмстить, что за 9-10 лет до землетрясения происходит увеличение сброса энергии упругих деформаций в течение 3 лет и за этим следует период замедления скорости диссипативных процессов. Однако период 1990-1995 гг. не закончился катастрофой, в отличие от периода 1989 и 2005 гг. Следовательно, статистический анализ геодинамичсского режима является необходимым, но не достаточным условием для прогноза времени сейсмической катастрофы.
44
НЛУКЛ И ОБРАЗОВАНИЕ, 2007, №4
ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОЛЕКМО-СТАНОВОЙ ЗОНЫ
2.12В 13
„ 1,72В 13 ы
а
ш 1Д2В13 те
С 5,2В 12 01
т 52В12 12В 12
/
т
.У
|«г 14.ч 1«?4 >«11 1«ги кгс нг»
—г—Суммарная шсвобахденкэя энергия
^ 3.<ЕВ13
ш
2=еВ13
4'
Д 2.1ЕВ13
1М0 14« 14« ИМ юаи 3004
|—<— Суммарная высмбскдёнгая энергия |
Рис. I. Суммарная энергия землетрясений Олскмо-Становой зоны с накопленном по годичным циклам
Мы рассматриваем только Олекмо-Сгановую сейсмическую зону в виде не взаимодействующей с другими сейсмогенерирующими зонами (Байкальской, сейсмического пояса Черского) системы. Изменение скорости диесинативных процессов может быть связано с глобальным трендом сейсмичности, циклическим перераспределением энергии внутри Байкало-Станового сейсмического пояса [4]. Поэтому все выводы и заключения, которые следуют из анализа, являются первым приближением в построении прогнозных функций природных сейсмических катастроф.
Анализ динамики сейсмического режима позволил предположить, что, начиная с 1999 г., начался интенсивный процесс накопления энергии упругих деформаций. Было высказано предположение, что при сохранении тенденции вероятность сильного землетрясения К> 16 будет увеличиваться ближайшие 8 лет, т. е. до 2007 г.
Таким образом, долгосрочный прогноз времени и вероятного места землетрясения (одного из вероятных) был осуществлен за год и в последующем подтвержден за месяц до события [3]. Хотя следует заметить, что энергия землетрясения 10.11.2005 г. оказалась значительно меньше
расчетной. Это может означать, что произошедшее землетрясение не сняло полностью накопившихся тектонических напряжений [4], а явилось следствием снятия части напряжений по отдельным структурам, что представляется наиболее вероятным.
Анализ сейсмического режима Олскмо-Становой зоны показал, что данный процесс содержит элементы упорядоченной динамики и случайных факторов. В рамках линейных моделей сплошной геофизической среды, разрушаемой в моменты максимальной энергетической насыщенности, объяснение двойственности сейсмического процесса становится весьма проблематичным. Более перспективным можно считать разрабатываемые модели с учетом неоднородной дискретной литосферы с множеством взаимодействующих элементов [5]. С другой стороны, объяснение данных процессов возможно в рамках развивающейся теории детерминированного хаоса [6]. Этот вид моделей основывается на внутренней сущности нелинейных процессов, а не на случайных флуктуациях большого количества элементов системы и рассматривается как неустойчивая динамическая система с непрогнозируемым поведением или ограниченным горизонтом прогноза. Закономерен вопрос, в какой мере возможен статистический прогноз динамики сейсмического режима и сильного землетрясения, в частности в рамках развивающихся направлений.
Для ОССЗ были получены зависимости вида «радиус до эпицентра - угол на эпицентр» из некоторой фиксированной точки по пятилетним циклам. Погрешности усреднения составили 130 км и 14° для Я; и а] соответственно. Было
отмечено, что в период формирования очага землетрясения регулярная составляющая сейсмического процесса смещается в низкочастотную область, т.е. в формирование сейсмического процесса вовлекаются все более консолидированные блоки земной коры. Подобные результаты по изменению частотного спектра получены в работе [7].
Расчет коэффициентов корреляции «радиус до эпицентра - угол на эпицентр» представлен на рис. 2.
Обсуждение результатов. Предварительный Фурье-анализ временных рядов данных «радиус до эницентра-угол на эпицентр» показал, что
ГРИБ, ТРОФИМЕНКО, НИКИТИН
Рис. 2. Изменение коэффициента корреляции «радиус до эпицентра- азимут на эпицентр» во времени
преобладают компоненты Фурье с периодами 3, 6. 12 мсс. Более длиннопериодные колебания не рассматривались.
- Доля «высокочастотных» составляющих уменьшается на 30-40 % при формировании очага землетрясения 1989 г.
- Амплитуда «срсднсчастотных» полугодовых колебаний практически не изменяется. Это может означать, что они являются наиболее характерными колебаниями сейсмичности для ОССЗ, или резонансными (собственные) колебаниями некоторого геологического блока.
- Закономерное изменение указанных параметров позволяет строить аналитические функции прогноза динамики сейсмичности.
- Средний коэффициент корреляции указанных параметров составляет более 70 %. Это означает то. что существуют элементы упорядоченной динамики сейсмического режима с прогнозируемым поведением.
- Разброс коэффициентов составляет от 95 до 10%, т. е. от полного хаоса к полному порядку.
- Землетрясение 1989 г. зарегистрировано на максимуме коэффициента корреляции. Событие 1967 г. произошло в доинструментальный период наблюдений. Тем не менее, учитывая, что спад графика происходит в течение 3-4 лет, можно заключить, что и данное событие отмечается в максимуме функции. Три события, произошедшие на максимуме статистического параметра. показывают, что перед катастрофой возрастает предсказуемость.
- График заканчивается 2004 г. на максимуме, т. с. прогнозное состояние функции к ноябрю 2005 г. - максимум коэффициента корреляции. После обработки данных за 2005 г. будет весьма интересно проследить за указанной закономерностью.
2. Геофизические исследовании. Наблюдения, анализ, краткосрочный прогноз
Регистрация элетромагнитного (ЭМ) излучения осуществляется станцией МГР [8], разработанной для целей изучения естественного ЭМ ноля. Измерения проводятся в двух каналах магнитной составляющей и одном канале - электрической. В соответствии с рекомендациями авторов данной разработки имеется прямая корреляция количества импульсов от геодинами-чсской обстановки. Причем авторы прямо указывают на то, что за 2-3 суток до землетрясения количество импульсов резко возрастает. Наблюдения за ЭМИ в 1989 г. показали [9], что перед событиями с магнитудой более М4 возникают всплески интенсивности, в 8-10 раз превышающие фоновые изменения суточного хода.
К анализу вариаций ЭМИ 2005 г. приняты материалы октября-декабря в связи с произошедшим землетрясением с К=15,2 [Дж] 10.11.2005 г. Рассматриваются изменения импульсов, осрсд-ненные за десять дней по каждому часу, в виде нормальных суточных вариаций и среднечасовые, двадцатиминутные и минутные вариации напряженности ЭМИ.
На рис. 3 представлены графики суточных аномалий ЭМИ на каждый час в пересчете накопленных частот на количество импульсов в час.
Суточнь м подекадный юд ЭМИ
~л-1-1 Т 1—1-Г—Т—1--Г I- 1 - т ■ 1-1—1-1->
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Часы с>т<ж. ЦТ
1 дек нояб --•-2декноя6. ^-Здекнояб
1 декдекаб -—2 декдекзб.
Рис. 3. Суточные аномалии ЭМИ, представленные накопленными частотами на каждый час за 10 дней
Качественно но поведению кривых выделяются три типа (цикла) аномалий: 1-я декада ноября; 2-я, 3-я декады ноября - 1-я декада ноября; 2-я декада декабря. Так, от первого цикла ко второму количество импульсов в максимумах (на графике) уменьшилось в 2 раза. В течение 30 суток (2-й цикл) разброс данных не превышал 20% с качественно идентичным поведением кривых. Переход к третьему циклу произошел также
ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОЛЕКМО-СТАНОВОЙ ЮНЫ
«скачком», с уменьшением интенсивности ЭМИ на крыльях кривых практически в 2 раза.
Таким образом, форма кривых и изменение уровня интенсивности ЭМИ между выделенными циклами свидетельствуют о возможной причине их изменения тектонического происхождения. В данном случае результаты изменений ЭМИ сопоставимы с данными, полученными на ст. Талая Иркутской области [8]. Если за временной центр аномалий выбрать дату землетрясения 10.11.2005 г., то начало второго цикла будет отстоять от центра на 30 суток, а окончание цикла - на 20 сугок. Изменение уровня ЭМИ перед землетрясением, возможно, связано с последней стадией (консолидацией блоков) формирования очага землетрясения. Результат практического совпадения длительности двух процессов (консолидации блоков и разрядки напряжений) для Олекмо-Становой зоны констатируется впервые за весь период инструментальных наблюдений за геодинамическими процессами.
На рис. 4 представлены графики среднечасовых значений аномалий ЭМИ за ноябрь-декабрь
Вариации ЭМИ 6 период землетрясения 10.11.2005г.1)Т
в у
5 --
о
™ 4-
С
2 3
СО л
.3 1 1 --
о --
у^А^ЧЬ
1
Г_1-,-1 ........ ■■ I I" I III Ш ц ■ -и Щ ИИ-
1.11 5.11 911 1311 1711 2111 2Л1 2911
-Логарифм количества им пульсов ас -Э нергетическии класс
Рис. 4. Вариации электромаиых эмиссий в период сильного ноябрьского землетрясения 2005 г. Энергетические классы представлены по каталогу Нерюнгринской сейсмостанцни
2005 г. совместно с землетрясениями (афтершо-ками) основного события 10.11.2005 г. На графиках видны вариации суточного хода, которые не учитывались по причине того, что аномальные всплески количества импульсов, зарегистрированные в период действия сильного землетрясения, более чем в 10 раз превышают средний уровень суточных вариаций.
При этом наблюдается следующее: - аномальные всплески ЭМИ проявились 2, 4. 7, 9 ноября с максимумом 4.11-7-11;
- амплитуда аномалий более чем в 80 раз превышает максимальную амплитуду суточных вариаций;
- к моменту основного события амплитуда всплесков ЭМИ снизилась в 4 раза;
- максимум суточных вариаций повысился с 900 импульсов 2.11 до 14000 5.11 с выдержанностью от 15(Х) до 6000 импульсов вплоть до момента основного события;
- землетрясение 10.11.2005 г. произошло на спаде суточной интенсивности ЭМИ;
- в течение четырех суток после 11.11, т. с. на спаде сейсмической активности, вснлссков ЭМИ не наблюдалось;
- с 15.11 по 25.11 на относительном максимуме сейсмической активности очага появляются аномалии ЭМИ, не связанные с конкретным сейсмическим событием. Они возникают до, во время и после землетрясений;
- третий относительный максимум сейсмической активности в начале декабря сопровождается интенсивными аномалиями ЭМИ, более чем в 150 раз превышающими амплитуды максимумов
суточных вариаций;
- группа аномалий по всем каналам проявилась за 7 суток до главного афтершока с К= 13,5 {Дж} землетрясения, произошедшего 11.12.2005 г. Аномалия в одном канале зарегистрирована 7.12., т. с. за 4 дня;
- на четвертом относительном максимуме сейсмической активности афтершоков с 12.12. по 20.12.2005 г. амплитуда аномальных всплесков ЭМИ в 60 и более раз превосходит амплитуду суточных вариаций и не связана с конкретными сейс-мопроявлениями. Аномальное изменение ЭМИ в 2005 г. хорошо согласуется с изменениями ЭМИ, полученными в 1989 г. в период действия Южно-Якутского землетрясения. С учетом модельных исследований сейсмического процесса но двум сейсмическим событиям становятся ясными и более понятными закономерности проявления аномалий ЭМИ в ноябре - декабре 2005 г.,
- проявление интенсивных аномалий после длительного затишья свидетельствует о начале заключительной фазы формирования очага землетрясения;
1<
и
и Й
13 ш"
12 о> з
11
10
9
ГРИВ, ТРОФИМЕНКО, НИКИТИН
- временной интервал от первого всплеска до сейсмического события не превосходит 5-7 дней, причем аномалии проявляются группами. I? случае 2005 г. зарегистрировано три аномалии. После прохождения группы аномалий возможен прогноз времени землетрясения с точностью до 1-3 суток. Если длительность ожидания более 3 суток, то следует ожидать землетрясение с энергетическим классом более К=15 {Дж};
- всплески ЭМИ, объединенные в группы на рис. 4, имеют двоякую природу: обусловлены релаксационными процессами самого землетрясения либо его афтершока и формированием нового события. Интерпретация группирования аномалий в 1989 г. с этой точки зрения не могла быть проведена, так как не было данных пс релаксационным процессам крупных землетрясений Олекмо-Становой сейсмической зоны. Материалы по наблюдениям ЭМИ 2005 г. качественно дополняют исследования 1989 г. Становится ясным, почему в группах имеются разрывы в аномалиях в 1-2 дня. Собственно разрыв - это окончание одного процесса (релаксации) и начало другого (консолидации) вследствие сброса энергии упругих деформаций во время сильных землетрясений по экспоненциально-волновому принципу;
- на относительных максимумах сейсмической афтершоковой активности аномалии ЭМИ также проявляются. Это также группы аномалий, после которых необходимо время ожидания крупного афтершока. Для события 11.12.2005 г. оно составило 4 дня.
- выявленные аномалии суточного хода напряженности ЭМИ могут служить краткосрочным предвестником землетрясения с учетом сопутствующих измерений помех;
- увеличение амплитуды сигналов электромагнитной природы выступает в роли краткосрочного предвестника землетрясения с погрешностью определения времени события ± 2 суток без указания на характер самого землетрясения: магнитуды, энергетического класса, интенсивности и места события;
- аномалии ЭМИ весьма интенсивны, что обусловлено принадлежностью пунктов наблюдений к зоне активизированного Хани-Чульманского разлома либо его оперяющих. По изменению аномалий данных наблюдений можно осуществлять контроль динамики разлома, связанного с другими активизированными раз-
ломами, а значит, вести наблюдения за сейсмотектоническим режимом всего региона.
Заключение
1. Произошедшее землетрясение 10.11.2005 г. позволило оценить правильность научных положений и предварительных выводов о динамике сейсмического процесса Олекмо-Становой сейсмической зоны, полученных при исследовании землетрясения 1989 г.
2. По местоположению землетрясение произошло в одной из вероятных зон, указанных ранее в виде долгосрочного прогноза.
3. По времени землетрясение произошло ранее критической расчетной даты 2007 г., когда возможная расчетная энергия землетрясения оценивалась как 1016 Дж.
4. Период времени в 5-7 суток до основного события и главного афтершока характеризовался интенсивными аномалиями ЭМИ, по характеру схожими с аномалиями 1989 г., полученными в период Южно-Якутского землетрясения [8].
5. В целом результаты наблюдений позволили выявить краткосрочные предвестники землетрясения и увязать их с результатами 1989 г., что, несомненно, будет способствовать дальнейшему развитию высокоточных геофизических наблюдений.
6. Развитие научного направления связывается с возможностью комплексного анализа сейсмического процесса всего Олскмо-Станового пояса и разработкой прогнозных функций оперативного прогноза времени сейсмических событий.
Литература
1. Гриб H.H., Трофимспко C.B., Гриб Г.В. Неприливные изменения силы тяжести в зонах влияния современных активизированных разломов // Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. - С. 271-274.
2. Трофименко C.B., Гриб H.H., Cmamuea A.C. Развитие взглядов на прогноз землетрясений //Сейсмичность Южно-Якутского региона и прилегающих территорий: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 30-летию г. Нерюнгри, 24-27 октября 2005 г. - С. 18-22.
3. Трофименко C.B. Моделирование сейсмического режима Олекмо-Становой зоны (ОСЗ) //Сейсмичность Южно-Якутского региона и прилегающих территорий: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 30-летию г. Нерюжри, 24-27 октября 2005 г. - С. 63-67.
11АЛЕОМЛГ11ИТ11ЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОНОТИСОВЫХ СЛОЕВ
4. Имаев B.C.. Имаева Л.П., Козьмич Б.М. Сейсмотектоника Якутии. - М.: ГЕОС, 2000. - 226 с.
5. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. - М.: Наука. 1991. - 96 с.
6. http://www.expert.ru/, №27 (287). За горизонтом предсказуемости.
7. Соболев F.A. Эволюция периодических колебаний сейсмической интенсивности перед сильными
землетрясениями // Физика Земли. -2003. - № 11. - С. 3-15.
8. Авторское свидетельство № 2238575 С2 7С 01 У9/00.
9. Козьмич Б.М.. Голечецкий С.И.. Ста/пива А. С. и др. Южно-Якутское землетрясение 20 апреля 1989 года. - Южно-Сахалинск: ИМГнГ ДВО РАН, 1992. -43 с.
УДК 551.7:550.838.5:551.2
Палеомагнитные исследования монотисовых слоев Верхояно-Колымской складчатой области (230-208 млн лет)
К.М. Константинов
Приведены результаты петромагншппых. магнито-минералогических и палеомагнитных исследований четырех разрезов алевропесчаников Верхояно-Колымской складчатой области (ВКСО), стратиграфически приуроченных к уровню карния-нория (монотисовые слои). В изученных породах установлена метахронная естественная остаточная намагниченность (ЕОН), носителями которой являются пирротин и магнетит. По выделенным в породах группировкам векторов ЕОН рассчитаны палеомагнитные полюсы. Интерпретация палеомагнитных данных допускает, что метахронная ЕОН монотисовых слоев возникла после линейной складчатости в апте (около 115 млн лет), но до формирования современной дугообразной формы ВКСО.
The results of petromagnetic, magnetic-mineralogical and paleomag investigations of samples collected from four mostly representative terrigenous Formations of the Verkhoyan-Kolima folded belt (VKFB) area are presented. All Formations belong to Carnian-Norian time (monotis level). The metachronic component of natural remanent magnetization (NRM) was recognized for all samples studied. Pyrrhotite and magnetite are minerals which are responsible for this sort of magnetization. The palepoles were calculated using NRM component recognized for samples studied. We suggest that metachronic component of NRM in rocks of monotis level was generated after linear folding at Aptian time (-115 Ma), but before stress deformations led to VKFB arc-shape transformation.
Геологическое строение Верхояно-Колымской складчатой области (ВКСО) характерно для континентальной окраины [1]. С запада ВКСО ограничивает Приверхоянский краевой прогиб Сибирской платформы, на севере и северо-востоке граница области проходит по Южно-Анюйскому шву, представляющему зону столкновения Сибирской платформы и Гинсрборси в раннем мелу. На юге и юго-востоке границей ВКСО является Охотско-Чукотский складчатый пояс, маркирующий активную континентальную
КОНСТАНТИНОВ Константин Михайлович - к.г.-м.н., вед. геофизик Амакинской геологоразведочной экспедиции АК «АЛРОСА».
окраину. Внешний пояс ВКСО представляет Верхоянская складчатая система, которая возникла на месте пассивной окраины (шельф, континентальный склон) Сибирской платформы. Она сложена карбонатными отложениями среднего рифея - среднего палеозоя и залегающей на ней монотонной обломочной толщей верхнего палеозоя - юры (верхоянский комплекс). Верхоянская складчатая система на протяжении более чем 500 млн лет представляла собой обширную (около 1000 км) пассивную окраину Сибирской платформы. Внутренний пояс ВКСО включает Колымскую структурную петлю, образованную структурами хребтов Полоусного, Черского,
7.3акаэ №12
