CC BY
9
УДК 519.254; 551.24
МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ МЕГАСТРУКТУР ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ
Анна Владленовна Михеева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-60-46, e-mail: Anna@omzg.sscc.ru
Игорь Иванович Калинников
Институт Физики Земли им. О. Ю. Шмидта Российской академии наук, 123242, Россия, г. Москва, ул. Б. Грузинская, 10, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (916)930-97-37, e-mail: I-Kalinn@yandex.ru.
Продемонстрированы возможности специализированной базы данных природных катастроф Земли (GIS-ENDDB) на основе цифровых моделей топографической и геофизической информации по выявлению новых мегаструктур и выбору реальных природных геотектонических объектов из множества полученных формализованными алгоритмами, в частности, алгоритмом поиска сейсмолинеамента по большому кругу Земли.
Ключевые слова: геодинамические программы и системы, базы данных землетрясений, геотехнологии, геофизические аномалии.
METHODS OF GEODYNAMIC MEGASTRUCTURES DETECTING ON GEOPHYSICAL DATA
Anna V. Mikheeva
Institute of the Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 6, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)330-60-46, e-mail: Anna@omzg.sscc.ru
Igor I. Kalinnikov
Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, 10, B. Gruzinskaya St., Moscow, 123242, Russia, Ph. D., Leading Researcher, phone: (916)930-97-37, e-mail: i-kalinn@yandex.ru
The possibilities of a specialized database of natural disasters of the Earth (GIS-ENDDB) based on digital models of topographic and geophysical information on the detection of new megastructures and the selection of real natural geotectonic objects from the set obtained by formalized algorithms, in particular, the seismolineament search algorithm for a Large Circle of the Earth.
Key words: Geodynamical systems, earthquakes databases, geophysical anomalies.
Введение
Специализированная база данных GIS-ENDDB (the Geoinformation System Earth's Natural Disasters Database) [1, 2] кроме каталогов сейсмичности (мировых и региональных, разработанных зарубежными агентствами и ведущими геофизических службами), каталога вулканов и импактных структур, а также баз данных по тектонике, содержит цифровые модели рельефа и гравиметрии (по данным ДЗЗ),
данные теплового потока Земли (собранные в Университете Северной Дакоты) и 3D-модель томографии (Дублинский Институт перспективных исследований).
Для рассмотрения глобальных геофизических структур и связанных с ними глубинных геодинамических процессов, потребовалось расширение аналитического блока системы GIS-ENDDB. Методы работы с цифровыми моделями (ЦМ): визуализации полей в виде изолиний и зональных карт, трансформации полей, распознавания линейных и дугообразных структур по группированию сейсмичности [2], пополнились новыми методами по выявлению гигантских кольцевых структур (в цифровых моделях рельефа и геофизических полей) и поиска сейсмолинеамента по Большому кругу Земли.
Алгоритмы
Для выявления крупных кольцевых структур (КС) используется теневые модели рельефа. Наиболее сложно диагностировать морфоструктурные признаки гигантских ударных структур диаметром в сотни и тысячи километров, у которых отсутствует хорошо выраженная отрицательная форма рельефа из-за малой относительной глубины, а также ввиду их подверженности различным факторам разрушающего воздействия окружающей среды и процессам выравнивания. Лишь выраженные в рельефе фрагменты вала и центрального поднятия [3] могут стать основой методики их выявления. Для выполнения операции поиска нужной окружности в GIS-ENDDB предусмотрена процедура построения и уточнения окружности по множеству опорных точек. Опорные точки можно отмечать по максимумам рельефа в геофизических полях и других слоях (например, в множестве землетрясений). Согласно положениям ударно-взрывной тектоники, гигантские ударные структуры (с В > 200 км) сами оказываются причиной последующих тектонических движений [4]. Поэтому их выявление - одна из новых задач геотектоники. Геофизические данные, введенные в систему GIS-ENDDB, позволяют получать дополнительную информацию о свойствах среды в области выявленных формализованными методами кольцевых структур и выработки дополнительных критериев диагностики ударных кратеров, в частности, по кольцевым или многокольцевым аномалиям гравитационного поля Ag и наличию положительного центрального пика в центре этих аномалий (зачастую отсутствующего в поверхностном рельефе), а также элементам билатеральной симметрии в аномалиях гравиметрии, теплового потока и сейсмотомографии.
Также ЦМ геофизических полей помогают исследовать свойства линейных структур сейсмичности, выявляемых формализованными методами. Предполагается, что эти структуры связаны с глобальными глубинными разломами (ГГР), которые являются основными структурообразующими элементами земной коры и верхов мантии, обеспечивая их флюидными компонентами и расплавами и контролируя геологические процессы в местах их локализации. Линеаментные структуры на дневной поверхности рельефа корреляционно связаны с ГГР, но зачастую не определяют его истинное положение. ГГР является живой системой с активными процессами твердотельного «молниеносного» метаморфизма [5]
(с. 254-260), не предполагающего обязательного разрыва сплошности среды. Ярким примером наличия ГГР без нарушения механической связности отдельностей могут служить внутриконтинентальные глобальные разломы, определяющие сейсмоопасные зоны шириной 2-4 км. [6]. Согласно эмпирически установленной концепции иерархической делимости твердых тел [7] ранговое отношение размеров отдельностей должно быть близко к 3, т.е. число больших трещин счетно на каждом континенте в зависимости от принятого критерия глобальности. Хотя процессы глобальной делимости осложнены множеством случайных факторов, они не могут нарушать фундаментальные законы детерминированного действия.
Руководствуясь этими фундаментальными законами можно попытаться локализовать истинное положение каждого ГГР. Этой цели служит алгоритм построения сейсмолинеамента по Большому кругу Земли (условно названный БК), имеющий три задаваемых параметра [8]: число точек в цепочке Имш, максимальное расстояние между референтными событиями Ь и делитель ё вычислимого параметра АЬмах = Ь/ё. (где АЬмах - ширина сейсмолинеамента). Первый параметр обеспечивает статистическую представительность построения, а второй, геометрический, со стороны минимума и максимума ограничен расстояниями взаимного динамического влияния очаговых зон [9] и диполеобраз-ной геометрией поля главных напряжений в окрестности сейсморазрыва [10], а для М§<7.5 - условием влияния на базальтовый слой зон очагов с учетом кривизны сейсмоактивного слоя. Оценить эти значения можно, исходя из размера очага Ьо, представлений о физике передачи взаимодействия между очагами и простых геометрических расчетов. Экспоненциально убывающим энергетическим влиянием очага можно пренебречь на расстоянии 1.5Ьо от его центра, т.е. для Ь рекомендуется оценка 3Ьо [11].
Оценки Ьо характеризуются большим разбросом, например, согласно [12]:
^ Ьо = (0.433 ± 0.065) М§ - 1.468 ± 0.510 (большая ось очага), ^ Бо = (0.453 ± 0.061) М§ - 1.9 ± 0.480 (малая ось очага), => для М§=7 => Бо~2.3-158.5 км; Ьо~ 4.7-337.3 км => Ь=3-Ьо~14.1-1012 км (1)
Влияние кривизны и толщины сейсмоактивного слоя на механику разрушения среды учитывается для относительно небольших Ь. Воздействие, инициирующее или поддерживающее глобальный разлом в базальтовом слое, могут оказывать землетрясения с М§<7.5, если зоны их очагов разнесены на
ЬР > 2^2яНТН/З, где Н - глубина границы Конрада (рис. 1).
Например, для Н ~ 15-20 км => ЬРК > 874.5-1010 км => для М§=6.75 (Ьо~253, Ь~760 км) ЬМ1Ы = Ьж-2Ьо ~368-504 км. Т.е. Ьмм ~Ь/2 (при М8 > 6.7). Сверху Ь ограничена значением Н для границы Мохо: Н ~ 30-70 км => Ь = ЬРМ+2Ьо ~1912-2424 км (для М§=7), превышая оценку (1). Эти же соображения накладывают ограничения на диапазон магнитуд Мэ(Ь) сильнейших событий и их глубину. Действительно, слабые события не тяготеют к оси разлома [13] и не могут его трассировать, а поверхностные события связаны с поверхностными разломами, не разрывающими базальтовый фундамент.
а) б)
Рис. 1. Схемы взаимодействия полей напряжения очаговых зон (длиной Ь0), накладывающего ограничение на максимальное значение Ь (а) и ЬМ1К (б)
В последней версии алгоритм БК оптимизирован по сравнению со своим первоначальным вариантом [8]. Вместо предлагаемого ранее расчета расстояний между всеми крупными событиями выборки, предложен вариант поиска ближайшего по времени события к текущему с последующим расчетом расстояния между ними. Это значительно ускорило работу алгоритма (уменьшило на 1-2 порядка количество проходов каталога). Кроме того, для расчета представительного объема выборки пар крупных событий Кмах принят показательный (экспоненциальный) закон распределения [14, 15], применимый для редких событий (каковыми и являются крупные землетрясения).
В результате изложенных выше соображений, алгоритм БК представляет собой следующую последовательность шагов (рис. 2):
1. Расчет Ммах - максимальной магнитуды событий выбранной территории с заданными глубинами и К - количества событий с ММАХ-ёМ<М8<ММАХ (ёМ=0.3^2 при ММах=6.7^9) и со случайным распределением по площади и экспоненциальным распределением по времени с вероятностью Р=1-1/е того, что следующее событие наступит раньше значения математического ожидания;
2. Отбор среди N событий всех хронологически последовательных пар, которые находятся на расстоянии Ь/2 < (Ю, 1) < Ь друг от друга, сохранение их в массив сейсмолинеаментов т_$е1е1[|];
3. Итерационное повторение п. 2 для всех событий, следующих друг за другом через одно промежуточное событие, затем через два, через три и т.д., пока не наберется Кмах = (1-1/е)К пар;
4. Построение плоскости через каждую пару событий и центр Земли, рассекающую литосферу по Большому кругу (БК) Земли (предполагая, что в Кмах попали все пары событий, между которыми существует поле напряжений, способное породить протяженный разлом по дуге БК);
5. Вычисление расстояния между событиями каталога и каждой из построенных плоскостей, отбирая плоскости БК с достаточным количеством (п>пМ1К) близко расположенных событий (с фиксированным удалением от плоскости ДИ<Ь/ё). Занесение номеров этих событий в строку массива m_Se1c1[j], начинающуюся номерами соответствующей базовой пары событий.
Рис. 2. Алгоритм формирования массива ш_8е1сЩ] сейсмолинеаментов
по Большому кругу Земли
На рис. 2 приведена логическая схема алгоритма формирования массива m_Selcl[j], используемого затем для визуализации в режимах «листание» (по одному сейсмолинеаменту) или «все». В режиме «все» создаётся файл geo_structure_BK с перечнем сейсмолинеаментов, а в режиме «листание» -файл lineament BK с текущим сейсмолинеаментом, куда заносятся формула Большого Круга (БК), базовые и остальные события Ah-полосы.
Кроме того, при листании формула БК, информация о базовых событиях текущего сейсмолинеамента и количестве остальных его событий выводится в статусной строке экрана, а параметры этих землетрясений - в иконке легенды.
Формула Большого круга в сферической тригонометрии:
R(j, i)=acos (sin(F(j)) sin(F(i)) + cos(F(j)) cos(F(i)) cos(WCj)-W(i))),
где F(i), W(i) - широта и долгота i-ой точки, соответственно.
В декартовой системе координат прямоугольной карты:
F(i)= -atan ((acos(W(i)) + bsin(W(i))) / c),
где a, b, c - коэффициенты плоскости aX+bY+cZ=0, проходящей через 2 базовых события и центр Земли. При этом, расстояние Ah от точки (X,Y,Z) до плоскости:
Ah = (aX+bY+cZ) /Va2 + b2 + c2.
В основу расчета Nmax принято наблюдаемое соответствие различных выборок землетрясений с MMAX-dM<MS<MMAX экспоненциальному закону распределения (рис. 3, б) с параметром X (называемым отношением риска) и мато-жиданием, равным среднему времени между N событиями 1/X=T/N:
p (AT, X) = Xexp(-XAT).
Поскольку вероятность того, что следующее событие произойдет через AT <1/X, равно 1-е-1 можно предположить, что выборка NMAX = (1-1/e)N (63% событий) охватит все пары событий, связанных неслучайным образом, т.е. механизмом триггирования. Установлено, что связанные пары на реальных графиках (отмеченные стрелками на рис. 3) сосредоточены на ещё меньших AT: AT<1/2X и даже AT<1/7X (рис. 3б), что соответствует NMAX=(1-1/Vs)N (39% событий) и Nmax=(1-1/Vé)N (13% событий).
Результаты
Варьируя значениями управляющего параметра L и соотношением h=L/nMiN пользователь может строить различные варианты БК (рис. 3, а): охватывающие сильнейшие землетрясения последних лет или соответствующие известным глубинным разломам, включая межплитные литосферные границы (при расчете которых также применяется принцип Большого круга [16]).
Рис. 3. Распределение крупных событий:
а) на карте AgR (R=85 км) Евразии (SIGN; -250-2008г, MS>6, 20<H<300 км), нанесены межплитные границы и сохраненные в архиве глобальные сейсмолинеамен-ты БК: "Крымский" (К) с различным h (ISC: 4<MS<7; 6<H<800 км, h=11.8; (L, пмм) = (600 км, 51) и 5<Ms<7, h = 35.7; (L, пыш) = (500 км, 14)), "Персидский" (п) (iSC, 1905-2016г; (L, nMIN) = (1200 км, 5); MS>6.5; 15<H<300 км), "Анатолийский" (А) (ISC, 1905-2016г; (L, nMiN) = (200 км, 28); Ms>6; 15<H<100 км) и "Внутриазиатский" (ВА) с различным h (SIGN, -250-2008г; осевая дуга: h = 71.4; (L, nMIN) = (1000 км, 14); MS>6.5; H<100 км); во врезке: межплитные разломы по [16]; б) зависимость от ДТ числа пар глубоких событий восточной половины карты (а)
Для уточнения критерия выбора достоверного сейсмолинеамента помогают включенные в ОК-ЕКОВВ геофизические данные, в частности, высокие градиенты геофизических полей: гравитационного, магнитного, теплового [9], в том числе трансформированных, позволяющих сгладить локальные неоднородности, вызванные различными поверхностными факторами и выделить в суммарном поле региональную компоненту (например, AgR). В частности, выявленные алгоритмом БК "Крымский" и "Внутриазиатский" сейсмолинеаменты соответствуют цепочкам максимумов региональной составляющей гравитационного поля AgR (рис. 3, а).
По гравиметрической ЦМ или модели теплового потока в ОК-ЕКОВВ можно строить профили, а по ЦМ сейсмо-томографии - вертикальные сечения произвольного направления. В частности, "Внутриазиатский" сейсмолинеамент характеризуется приуроченностью к аномалии пониженных значений поля скоростей 5у-волн, проявившейся на глубинах 35-80 км.
Алгоритм опробован на фактическом материале многих территорий: Центральной Азии, Тихоокеанской зоны субдукции [8], Крымско-Кавказской области и других сейсмически активных регионов (рис. 3, а) и показал хорошее соответствие выявляемых им структур известным межплитным границам. Так, "Внутриазиатский" сейсмолинеамент отмечает межплитную границу между Евразийской плитой и Китайским агломератом, признаваемую многими авторами [17, 18, 19] (врезка рис. 3, а). "Персидский" сейсмолинеамент повторяет
известную межплитную границу на протяжении 3000 км, "Анатолийский" -границу и разлом на протяжении 2500 км (рис 3а).
Заключение
Алгоритм БК помогает обнаруживать направление развития глубинного сейсмогенного процесса и, возможно, выявляет тектонические структуры глубокого заложения (ГГР), созданные в результате крупных воздействий и/или многовековых геологических процессов и активизируемые парами крупных землетрясений. Например, выявленный алгоритмом БК "Внутриазиатский" сейсмолинеамент согласуется с вектором развития глубинного сейсмогенного процесса в Центрально-Азиатском регионе [19, 20]: на северо-восток от Пами-ро-Гиндукушской к Байкальской рифтовой зоне. Кроме того, известно, что зоны ГГР характеризуются улучшенной проницаемостью для магм, гидротерм и тепловых потоков, способствующих возникновению эндогенных месторождений. Поэтому уверенно локализованный ГГР позволяет организовать прогнозные и исследовательские работы практически во всех областях человеческой деятельности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Mikheeva A.V., Marchuk An.G. Geographical information system "The Earth's natural disasters Database" (ENDDB) as a tool for studying complex geotectonic structures // Bulletin of Novosibirsk Computer Center. Series: Computer Science. - 2016. - No. 39. - P. 25-36.
2. Михеева А.В. Геоструктурные элементы, выявляемые математическими алгоритмами и цифровыми моделями геоинформационно-вычислительной системы GIS-ENDDB. - Новосибирск: Омега Принт, 2016. - 300 с.
3. Mikheeva A.V., Hazivaliev F.R., Chetverova O.P. Geomorphologic features of the Earth's large cosmogenic structures // Bulletins of the Novosibirsk Computing Center, Series: Math. Model. in Geophys. - 2016. - Vol. 19. - P. 59-66.
4. Зейлик Б.С. Ударно-взрывная тектоника и краткий очерк тектоники плит. - Алма-Ата: Гылым, 1991. - 120 с.
5. Калинин В.А. Связь физических свойств вещества в процессе превращений с тектоникой и землетрясениями // Избранные труды. Свойства геоматериалов и физика земли. -М.: ОИФЗ РАН, 2000. - 334 с.
6. Калинин В.А., Родкин М.В., Томашевская И.С. Геодинамические эффекты физико-химических превращений в твердом теле. - М.: Наука, 1989. -158 с.
7. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы // ДАН СССР. - 1979. -Т. 247. - № 4. - С. 829-831.
8. Kalinnikov I.I., Mikheeva A.V. Algorithms of building lineaments in the program GIS-ENDDB // Bulletin of Novosibirsk Computer Center. Series: Mathematical Models in Geophysics. - 2016. - No. 13. - P. 1-9.
9. Шерман С.И. Тектонофизические параметры разломов литосферы, избранные методы изучения и примеры использования // Современная тектонофизика. Методы и результаты: Материалы первой молодежной школы-семинара. - М.: ИФЗ, 2009. - С. 302-317.
10. Поля напряжений и деформаций в земной коре. - М.: Наука 1987. 184 с.
11. Соболев Г. А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники / отв. ред. В Н. Страхов. - М.: Наука, 2003. - 270 с.
12. Лутиков А.И., Донцова Г.Ю. Оценка линейных размеров очагов землетрясений камчатки по размерам облака афтершоков // Физика Земли. - 2002. - № 6. - С. 46-56.
13. Мирзоев К.М. Сейсмический режим и районирование зоны сопряжения Памира, Гиндукуша и южного Тянь-Шаня (Таджикистан) : дисс. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.12 / Мирзоев Камиль Мамедович. - М., 1988. - 443 с.
14. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере / ред. В.Э. Фигурнов. -М.: Инфра-М, 2003. - 544 с.
15. Писаренко В.Ф., Родкин М.В. Распределения с тяжелыми хвостами: приложения к анализу катастроф // Вычислительная сейсмология. - 2007. - Вып. 38. - 242 с.
16. Bird P. An updated digital model of plate boundaries // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. - 2003. - Vol. 4. - No. 3. - P. 1027. - DOI: 10.1029/2001GC000252.
17. Добрецов Н.Л., Кидряшкин А.Г., Кидряшкин А.А. Глубинная геодинамика: 2-изд., доп. и перераб. - Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2001. - 409 с.
18. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. - М.: Недра, 1988. -
491 с.
19. Степашко А.А. О роли мантийной структуры в генезисе юго-западного фланга Байкальской сейсмической зоны // Современная геодинамика Центральной Азии и опасные природные процессы: результаты исследований на количественной основе. - Иркутск, 2012. - Т. 1. - С. 66-69.
20. Рузайкин А.И. Зависимость свойств волн Lg от глубины источника // Физика Земли. - 1994. - № 7-8. - С. 27-34. - (Известия Академии наук СССР, Физика Земли).
© А. В. Михеева, И. И. Калинников, 2018
