CC BY
33
16
ВЕСТН МОСК УН-ТА СЕР 4 ГЕОЛОГИЯ 2008 № 6
УДК 550 34+551 24
A.B. Викулин, Т.Ю. Тверитинова
МОМЕНТНАЯ ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
Развиваются концепции А В Пейве и М А Садовского о блоковом строении геологической и геофизической сред Геологическая гипотеза А В Пейве о "самостоятельной движущей силе" блока, "заключенной в нем самом", подтверждается геологическим материалом и геофизическими данными и наполняется новым физическим содержанием С использованием сейсмологических данных в рамках принципиально нового "собственномоментного" подхода формулируются выводы о момент-ном, корпускулярном (блоковом) и волновом свойствах геологической и геофизической сред
Введение. Фундаментальная работа геолога А В Пейве (1961) содержит три важных момента во-первых, в этой работе за 18 лет до геофизика М А Садовского (2004) обосновано блоковое строение геологической среды, во-вторых, анализируя ее структуру и движение, автор пришел к новому фантастическому по тем временам (да и по нынешним) механизму движения коры — собственному источнику движения блока При этом каждый структурно обособленный, более или менее цельный однородный блок имеет собственный "потенциал" перемещения, в чем и заключается главная особенность тектонических движений В-третьих, тектонические силы и вектор необратимых тектонических движений являются "врожденными" извечными свойствами нашей и, вероятно, других планет и связаны не с процессами развития вещества внутри каждой планеты, а с более общими законами движений космических тел " Геологи должны поставить вопрос перед астрономами и астрофизиками о том, что даже за относительно короткий период неогейского мегахрона продолжительностью около 1 млрд лет, вероятно, происходит эволюция гравитационного поля Солнечной системы" [Пейве, 1961] Аналогичный призыв к геологам и астрофизикам содержался и в высказываниях академика Д В Наливкина [Шпитальная идр , 1991]
В 1973 г вышло первое издание фундаментального труда Л И Седова "Механика сплошной среды" В этой работе, в частности, обосновывается важная для физики и геологии концепция момента количества движения для конечного объема сплошной среды [Седов, 1973, с 146-148,504-530]
Основные работы М А Садовского с сотрудниками, посвященные созданию модели блоковой геофизической среды, в рамках которой предпринимается попытка построения "геомеханического" сейсмического процесса, относятся к 1979—1986 гг Модель построена на основании установленного М А Садовским с сотрудниками иерархического свойства горных пород, которое наблюдается в пределах 12—14 размерных порядков Отличительной особенностью таких моделей является сильная нелинейность дифференциальных уравнений, с помощью которых должен описываться сейсмический процесс [Викулин,2003]
Развивая концепцию блоковой среды, ученики А В Пейве пришли к выводу о том, что геологическая
среда является нелинейной и самоорганизующейся, вследствие этого ее движение может быть представлено в виде тектонического течения с неоднородными деформациями, ненулевыми дивергенциями и вихрями [Лукьянов, 1999]
К этому же периоду относятся и первые попытки интерпретации геодинамической роли "собственного" вращательного движения и космического фактора, предпринятые в рамках количественных геодинамических моделей, разрабатываемых в работах [Вихри , 2004, Дмитриевский и др , 1993, Ротационные , 2007] В рамках таких представлений самостоятельной движущей силой блока земной коры может быть только его собственный, по сути макроскопический, момент в смысле Л И Седова [Седов, 1973, с 146-148, 504-530]
Вихревые структуры. В рамках представлений о собственном моменте блока геологической среды Ю И и ТЮ Тверитиновыми была сформулирована гипотеза полярного планетарного вихря [Вихри , 2004, с 71—92, 112—117, 1981, Тверитинова, Викулин, 2005], одним из основных элементов которого является зона левостороннего тетического кручения — левосдвиговая конвергентная система Средиземноморско-Гималайского альпийского складчатого пояса (рис 1) Строение этого пояса нельзя объяснить только одним поперечным сжатием, при этом требуется привлечение механизма левостороннего сдвига или вращения по часовой стрелке плит Северного полушария относительно Южного В общем вихревом движении участвуют все литосферные плиты, которые при этом испытывают относительные смещения, что сопровождается формированием вдоль их границ характерных зон сдвиговых деформаций — кулисного сочетания элементарных структур растяжения (рифты), сжатия (зоны субдукции) или сдвига (трансформные разломы) Характерным примером правосдвиговой ме-гарегиональной зоны является рифтовая система Атлантического океана Ее строение не может быть объяснено только расхождением разделяемых ею литосферных плит, но требует их относительного правосдвигового смещения или вращения против часовой стрелки
Впрочем, такие построения не новы Существование вихревых, кольцевых, спиральных и т п структур обосновано в работах китайского геолога Ли Сыгуана [Lee, 1928], японских исследователей Т Рикитаке, С Фуджи-хары и др , российских геологов О И Слензака, И В Ме-
лекесцева, АП Кулакова, А И Полетаева и многих других [Вихри , 2004, Ротационные , 2007, Хаин, Полетаев, 2007] В последние годы число публикаций по вихревым структурам [Lee, 1928] стремительно растет и накапливаются данные о таких непрямолинейных структурах, многочисленные проявления которых установлены для различных частей планеты [Вихри , 2004, Ротационные , 2007, Хаин, Полетаев, 2007] И, что важно в контексте статьи, наличие таких структур и соответствующих им упругих полей кручения было достаточно убедительно продемонстрировано на геологическом и геофизическом материале и обосновано физически [Вихри , 2004, Дмитриевский и др , 1993, Международный ., 2003, с 56—57, Ротационные , 2007, Тверитино-ва, Викулин, 2005] Все эти данные доказывают исключительную важность вихревых структур и формирующих их упругих полей для геологических построений
Приведенные по вихревым структурам данные, по сути, доказывают "вихревую" моментную природу дискретной геологической среды, что находится в хорошем соответствии с результатами, полученными в 1995 г Н Сигачевой с сотрудниками (МГУ) Они показали, что спиралевидно-скручивающее движение можно рассматривать как механизм самоорганизации геологического пространства [Хаин, Полетаев, 2007, с 17]
Волновые свойства среды. Отчетливо и с физической точки зрения достаточно прозрачно вывод о мо-ментной вихревой природе геологической среды — "самоорганизации геологического пространства" может быть проиллюстрирован на примере форшокового и аф-тершокового процесса, протекающего в очагах больших землетрясений протяженностью (А) около 1000 км и более [Викулин, 2006]
В очагах долготных (вытянуты вдоль долгот X = const) землетрясений (Чилийское, 1960 г, Mw= 9,5, А = 2000-4000 км, X = 70° з д , Суматра, 2004 г, Mw= 9,0, А = 1200 км, X ~ 98° в д ), а также широтных (вытянуты вдоль широт, ф = const) землетрясений (Алеутские, 1957 г, Mw= 8,8, А = 1300 км, ср = 52° с ш и 1965 г, Mw= 8,7, А = 700 км, ф = 52° с ш , Аляска, 1964 г, Mw= 9,0, А = = 1000 км, ф = 58° с ш ) исследовались временные зависимости скорости миграции К и частот (повторяемостей) и форшоков и афтершоков в магнитудном диапазоне 5 < М$ < 8
log V [км/ч] = A log t [ч] + В, log г> [ч-1] = a log t [ч] + b
Оказалось, что значения и скоростей и частот в очагах долготных (lo) землетрясений значимо больше, чем в очагах широтных (la) землетрясений А'0 ~ а'° ~ -0,62±0,09 > > А,а = а1а = -0,92±0,07 (что, на наш взгляд [Викулин, 2003, Викулин, Тверитинова, 2007], количественно может быть связано с нутацией полюса Земли) При этом отношения
V
Рис 1 Системы литосферных плит и связанные с ними вихревые структуры 1 — контуры континентов и древние платформы в их пределах, 2 — линейные структуры сжатия и растяжения по границам литосферных плит, 3—4 — вихревые структуры 3 — полярный правоза-крученный вихрь, 4 — литосферные левозакрученные вихри Литосферные плиты СА — Североамериканская, ЮА — Южноамериканская, ЕА — Евразийская, Аф — Африканская, Ан — Антарктическая, Ав — Австралийская, ТО — Тихоокеанская
оказались, во-первых, величинами постоянными (В — Ь)'° ~ ~ (В-Ь)ы ~ 2,26±0,15, определяющими размеры по сути "элементарного" сейсмофокального блока — очага сильнейшего (М5> 7,5) землетрясения [Викулин, 2003] \0В~Ь = = Ь,0 = 11а = 200±50 км
Во-вторых, отношения скоростей и частот оказались независимы от ориентации сейсмофокальной зоны £0 Ф /(ф, Я,), что физически равносильно утверждению постоянная величина Ь0 является инвариантной к поворотам Следовательно, само существование по сути дискретной [Садовский, 2004] константы Л0 как величины, в соответствии с представлениями А В Пейве [1961] и А В Лукьянова [1999], характеризующейся "самостоятельной движущей силой", определяет такую независимую от ориентации и, следовательно, сохраняющуюся величину, которая по своей физической сути является моментом [Общие , 2008, с 143-147]
Таким образом, сейсмологические данные о фор-шоках и афтершоках в очагах больших землетрясений — "дискретных кирпичиках" геофизической среды [Садовский, 2004] подтверждают сделанный на основании анализа геологических материалов вывод А В Пейве [ 1961 ]
18
BECTH MOCK УН-ТА СЕР 4 ГЕОЛОГИЯ 2008 № 6
и А В Лукьянова [1999] о самостоятельной движущей силе блока и определяют моментную природу такой силы
Новый тип ротационных упругих волн. Следует отметить, что используемый нами "собственномоментный" подход к решению геомеханической задачи о движении совокупности блоков и плит [Викулин, 2003, Тверити-нова, Викулин, 2005] является принципиально новым и отличается от всех других известных нам подходов, например [Вихри , 2004, Ротационные , 2007, Earthquake , 2006] В результате такого похода для совокупности взаимодействующих блоков и плит получено новое решение для геодинамических волн [Викулин, 2003, Викулин, Тверитинова, 2007]
Суть его сводится к следующему [Викулин, 2008] в рамках классической теории упругости с симметричным тензором напряжений поставлена и аналитически решена задача об упругом поле во вращающейся геофизической среде Установлен дальнодействующий характер такого поля Для вращающихся геофизических сред показано существование двух новых типов упругих волн с моментом — солитонов и экситонов, названных ротационными Солитонные решения представляют собой волны глобальной миграции землетрясений (медленные тектонические волны [Быков, 2005]) с максимальной скоростью 1—10 см/с, близкой к скорости миграции наиболее сильных (М> 7,5-8) землетрясений Экситон-ным решениям соответствуют волны (локальной) миграции форшоков и афтершоков в очагах землетрясений (быстрые тектонические волны [Быков, 2005]), максимальная скорость которых равна скорости вспарывания и (или) скорости поперечных сейсмических волн В тектоническом приближении, считая длину волны экситона, равной размеру сейсмофокального блока (очага наиболее сильного землетрясения), получено значение характерной скорости [Викулин, 2008]
г2 = у у
равной среднегеометрическому произведению центробежной VR = QR(j и поперечной сейсмической Vs скоро-
L, км
Рис 2 Число землетрясений-дуплетов (ТУ) и землетрясений-пар, соответствующих северо-западно-тихоокеанским сильнейшим (М > 7,5) землетрясениям 1899—1994 гг как функция расстояния (Ь) между их очагами
стей, где Q. — угловая скорость вращения Земли вокруг своей оси, R() — размер блока (плиты)
Таким образом, для геологических (и (или) геофизических, по сути блоковых и вращающихся) сред теоретически установлено существование нового типа упругих ротационных волн и показано, что именно такие волны ответственны за взаимодействие блоков и плит и как следствие за миграцию землетрясений. Представляется, что очень медленные, ответственные за движение всей планеты экситонные решения в процессе эволюции гравитационного поля Солнечной системы [Пейве, 1961] в принципе могут характеризовать геологические пульсации Земли, определяющие в глобальном масштабе тектонические деформации планеты [Милановский, 1995]
Дуплеты и пары землетрясений — следствие блокового строения среды. Установленные выше "корпускулярные" (блоковые) и волновые свойства геодинамического процесса подтверждаются анализом взаимного расположения дискретных составляющих геофизической среды [Садовский, 2004] — очагов тихоокеанских землетрясений-дуплетов (зд) и землетрясений-пар (зп) [Викулин, 2003, Общие , 2008, с 143—147] Действительно, такие связки очагов землетрясений являются мгновенными событиями, так как происходят в течение коротких (и с геологической, и с сейсмологической точки зрения) интервалов времени (0 < т < 8 мес) с очагами, удаленными один от другого на расстояние ¿зд = 250 (0—400) км, х = 4—5 с - 1 мин, и 1зп < Lmax = 23 000 км, т = 3+2 мес, где Lmax — половина всей протяженности окраины Тихого океана
Результаты анализа, представленные на рис 2, показывают существование отчетливых максимумов, соответствующих межочаговым в парах и дуплетах землетрясений расстояниям L= 250, 5000, 8000—9000,12 000—13 000, 16 000, 19 000, 22 000—23 000 км, определяющим "мгновенный портрет" тихоокеанского сейсмотектонического пояса "Структура" такого явления, включающая очаги сильнейших землетрясений, островные дуги и их совокупности, определяется набором значений Lt, который, очевидно, может быть интерпретирован как соответствующая совокупность стоячих геодинамических волн с длинами, кратными значениям L ~ 250 км и Lj = 2500— 5000 км
Близость значений L0 (размер элементарного блока) и ¿зд (среднее расстояние между очагами в дуплетах) представляется неслучайной именно "собственные" моменты, как элементарных блоков (и плит), так и соответствующих им полей упругих напряжений, являются тем "каркасом", который формирует структуру геомеханического поля планеты
Заключение. Таким образом, приведенные в статье геофизические данные и их анализ подтвердили сформулированный на основе геологических материалов А В Пейве [1961] вывод о самостоятельной движущей силе блока и наполнили его новым физическим содержанием геологическая среда имеет моментную, корпускулярную (блоковую) и волновую природу
Полученное в работе выражение для характерной скорости можно рассматривать как своеобразную визуализацию в геодинамике корпускулярно-волнового дуализма, который, с одной стороны, на малых расстояниях проявляется в виде механического взаимодействия частиц (блоков и плит) между собой, с другой — на больших расстояниях проявляется в виде дальнодействую-щего упругого ротационного поля, имеющего волновую природу
В последнее время все больший научный интерес вызывают кольцевые, вихревые и другие нелинейные структуры Такие структуры существовали в течение всей геологической истории, напрямую были связаны с мо-ментной природой геодинамического процесса [Вихри , 2004, Ротационные , 2007, Earthquake, 2006] и,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Быков В Г Деформационные волны Земли концепция, наблюдения и модели // Геология и геофизика 2005 Т 46, №11 С 1176-1190
2 Викулин А В Физика волнового сейсмического процесса Петропавловск-Камчатский КОМСП ГС РАН, 2003 (www kscnet ru)
3 Викулин А В Волновая природа ротационного упругого поля литосферы // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли Новосибирск ИГД СО РАН, 2006 С 401—419
4 Викулин А В Энергия и момент силы упругого ротационного поля геофизической среды // Геология и геофизика 2008 № 6 С 559-750
5 Викулин А В, Тверитинова ТЮ Энергия тектонического процесса и вихревые геологические структуры // Докл РАН 2007 Т 413, № 3 С 372-374
6 Вихри в геологических процессах / Ред А В Викулин Петропавловск-Камчатский КГПУ, 2004 (wwwkscnet ru)
7 Дмитриевский АН, Володин НА , Шипов Г И Энергоструктура Земли и геодинамика М Наука, 1993
8 Лукьянов А В Нелинейные эффекты в моделях тектоге-неза // Проблемы геодинамики и литосферы М Наука, 1999 С 253-287
9 Международный геолого-геофизический атлас Тихого океана / Ред С Уеда М , СПб Межправительственная океанографическая комиссия, 2003
10 Милановский ЕЕ Пульсации Земли // Геотектоника 1995 № 5 С 3-24
следовательно, принимали участие в "механизме самоорганизации геологического пространства" [Хаин, Полетаев, 2007, с 17] Все больше докладов на тектонических совещанях посвящено ротационной проблеме и космическому фактору [Общие , 2008; Хаин, Полетаев, 2007] Такое положение сложилось в результате поисков новой геологической парадигмы (вместо глобальной тектоники) [Вихри , 2004, Ротационные , 2007, Общие , 2008, Хаин, Полетаев, 2007], в основу которой, как нам представляется, могут быть положены описанные в статье физические свойства геологической среды
Авторы признательны Е Е Милановскому и И В Ме-лекесцеву за доброжелательное обсуждение статьи и ценные замечания
11 Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики XLI Тектоническое совещание Т 1 М ГЕОС, 2008
12 Пейве А В Тектоника и магматизм // Изв АН СССР Сер геол 1961 №3 С 36-53
13 Ротационные процессы в геологии и физике / Ред Е Е Милановский М КомКнига, 2007 (www kscnet ru)
14 Садовский MA Геофизика и физика взрыва Избр труды М Наука, 2004
15 Седов Л И Механика сплошной среды Т1 М Наука,
1973
16 Тверитинова Т Ю, Викулин А В Геологические и геофизические признаки вихревых структур в геологической среде // Вестн КРАУНЦ Сер Науки о Земле 2005 № 5 С 59—77 (www kscnet ru)
17 Хаин BE, Полетаев А И Ротационная тектоника Земли//Наука в России 2007 №6 С 14—21
18 Шпитальная А А , Заколдаев Ю А , Ефимов А А Проблема времени в геологии и звездной астрономии // Проблемы пространства и времени в современном естествознании Сер Проблемы исследования Вселенной СПб, 1991 Вып 15 С 95-106
19 Earthquake source asymmetry, structural media and rotation effects Berlin, Heidelberg, N Y Springer, 2006
20 Lee J S Some characteristic structural types in Eastern Asia and Their Bearing upon the problems of continental movements//Geol Mag LXV1 1928 P 422—430
Поступила в редакцию 13 11 2007
