CC BY
0УДК 550.34.034
О КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЯХ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ОЧАГАХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
ЛЮТИКОВА ВЕРОНИКА СЕРГЕЕВНА
Младший научный сотрудник Национальный научный центр сейсмологических наблюдений и исследований МЧС РК, Алматы
ЛИТОВЧЕНКО ИРИНА НИКОЛАЕВНА
Ведущий научный сотрудник Национальный научный центр сейсмологических наблюдений и исследований МЧС РК, Алматы, Казахстан
Аннотация. Рассматривается вопрос о количественных значениях реологических и термодинамических параметров в очагах землетрясений. Приведены расчётные значения таких параметров в очагах землетрясений для разных магнитуд.
Ключевые слова: реологические, термодинамические параметры, очаг землетрясения, магнитуда.
В работе исследуются количественные значения реологических и термодинамических параметров в очагах землетрясений. Отметим, что в работах [1, 2, 5] рассматривался вопрос о реологических и термодинамических условиях в очагах землетрясений. С учетом проведенных исследований, рассчитывались некоторые физические параметры в очаговых зонах по мировому каталогу землетрясений с М>2.5 за 1973-2024 г.г. Актуальность исследования обоснована активизацией сейсмичности для всей Земли в целом за последние десятилетия. Так:
- землетрясения являются источниками информации о физических параметрах земной коры и ее расслоенности;
- исходными данными для определения физических характеристик параметров являются магнитуда и энергетический класс землетрясения;
- физические параметры в очаговых зонах сильных землетрясений могут быть рассчитаны с применением известных и оригинальных уравнений [2];
- уравнения должны удовлетворять особенностям сейсмичности в любом регионе Земли [2, 5].
Реологические и термодинамические параметры в очагах землетрясений рассматриваются в следующей последовательности: энергия сейсмических волн; температура среды очага; температурные напряжения, деформация объема и формы очага; плотность энергии деформирования; потенциальная энергия деформирования очага; предел прочности среды в объеме разрушения; определение соотношения величины потенциальной энергии деформирования, энергии разрушения, вязкости и др.
По расчётной методике из [2] получены количественные значения физических параметров в очаговых зонах землетрясений с магнитудой больше 2.5 для сейсмоактивных регионов Земли. На рисунке 1 приводятся эпицентры землетрясений с М >2.5 за 1973-2024гг. На рисунке также представлен параметр вязкости (2-D и 3-D представления параметра логарифма вязкости). Более темные оттенки серого цвета на рисунке 1 указывают на повышенные значения вязкости. Рассчитывались и другие реологические и термодинамические параметры в очаговых зонах землетрясений с магнитудами больше 2.5 за период 1973-2024г.г. по мировому каталогу землетрясений (NEIC) [3] для каждого из параметров. Диаграмма соотношений физических параметров приведена на рисунке 2 для
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
землетрясений с М>2.5. В таблице 1 - приведены количественные значения расчетных физических параметров в очагах землетрясений М>2.5 за 1973-2024г.г. для Земли по мировому каталогу землетрясений (КЕГС). Как можно видеть, зависимости между параметрами соблюдаются как для сильных, так и для средних и слабых землетрясений. Изменение магнитуды на единицу эквивалентно повышению (понижению) энергии землетрясения в 32 раза. К примеру, магнитуда М=8.0 соответствует Е=6.3*1023 Эрг.; М=7.0; Е=2.0*1022 Эрг. и т.д. Для определения соотношений между энергией землетрясения или энергетическим классом и магнитудой существует много уравнений. Все они предложены для разных сейсмогенных областей Земли [2]. Количественные значения параметров рассматриваются и получается, что среднее значение энергии, рассчитанное по уравнению из [2] охватывает самый большой объем исходного сейсмологического материала [2, 5]. Теоретически возможный максимальный энергетический класс равен 27.49. По приведенным в [2] формулам, рассчитаны все названные параметры. Для наиболее представительной статистики в проведенных исследованиях рассчитаны физические характеристики в очаговых зонах землетрясений для М>=2.5 с 1973-2024г.г. [5]. Как показано в [2, 5], физический смысл уравнения следует из различий в изменении критической величины объема очага V и плотности энергии в единице объема и. Из уравнения для расчета [2]видно, что логарифм критических размеров объема очага (lgV) находится в квадратичной зависимости от магнитуды. В нашем случае в диапазоне магнитуд от 2.5<М<9.2 расчетные значения lgV меняются в пределах 12.44<lgV<21.95. Наличие параметров Е и V дало возможность для расчета плотности потенциальной энергии сейсмических волн по (3) в единице объема и (в эрг/см3) [2]. В нашем случае lgU=lgE-lgV в диапазоне магнитуд от 2.5<М<9.2 значения ^и изменяются в пределах от 2.947<^и<3.609. Отметим, что логарифм удельной (объемной) плотности энергии сейсмических волн (^Ц) в отличие от (lgV) находится в прямолинейной зависимости от магнитуды. Существует два вида удельной энергии очага землетрясения, связанные с: 1) изменением объема, 2) изменением формы очага, которые для одной и той же магнитуды отличаются на один порядок величины [2].
2-D
180-130-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180
1оп
з-э
Рисунок 1 - Распределение эпицентров (2-0) и гипоцентров землетрясений (3-0) и параметра логарифма вязкости ^п (в оттенках серого) с М>2.5 за 1973-2024гг. (NEIC) [3]
lgE - логарифм энергии сейсмических волн, ^п - логарифм вязкости, G - объемный модуль упругости, ткг - эффективные касательные напряжения, aV - коэффициент теплового объемного расширения, 8 - деформация объема, а - эффективные нормальные напряжения от Т(0С) температуры
Рисунок 2 - Диаграмма соотношений реологических и термодинамических параметров в очаговых зонах землетрясений Земли (М>2.5) от температуры Т(0 С) по [2]
Величина потенциальной энергии сейсмических волн зависит от величины объема очага и практически не зависит от удельной плотности энергии и. Это следует из различий в изменениях V и и для диапазона магнитуд от 2.5 до 9.2. Апробация уравнений из [2, 5] для целей выявления неоднородностей в строении коры и верхней мантии Кавказа, Северного Тянь- Шаня и Японии, а также определения мощности литосферы этих регионов показала хорошую корреляцию с другими геолого-геофизическими данными [2]. Там же подтверждается правомерность и возможность использования уравнений для анализа и сравнения глубинного строения различных сейсмогенных областей Земли [2]. Далее
рассмотрим соотношение между энергией и температурой в очаге землетрясения. В теоретическом плане вероятность взаимосвязи между энергией и магнитудой землетрясения с термодинамическими параметрами очага может предполагаться из самой природы накопления термоупругих напряжений в верхних оболочках Земли. Такое накопление, по мнению некоторых авторов, является следствием неравномерного распределения температур и различия физических свойств геологической среды [2]. Показателем концентрации напряжений на глубине служит их разрядка в виде землетрясения [1; 2;4; 5]. Эмпирические уравнения связи по [2], температуры в очаге землетрясения в момент сбрасывания добавочных упругих напряжений с энергией в очаге: T(K)=196.8K(lgEmax-lgE), где 196.8K - константа, определяющая количество градусов, соответствующее изменению энергии (Эрг) на один порядок; lgE - логарифм энергии сейсмических волн, рассчитанный по уравнению [2]. lgEmax - логарифм максимального значения энергии сейсмических волн используются и при расчете вязкости □; объемного модуля упругости G, эффективных нормальных напряжений □; эффективных касательных или сбрасываемых напряжений □ ; показателя деформации объема очага □; коэффициента объемного теплового расширения Dv. Определение значения lgEmax по уравнению из [2] :
1) требует условного допущения вне реально существующего диапазона магнитуд. Из расчета следует, что максимальному значению энергии отвечает магнитуда 13.5 и соответствующее значение Emax =1027 эрг [2]. Согласно данным [2]:
2) анализ распределения гипоцентров землетрясений с магнитудами M<5.0 по глубине показывает их концентрацию в вытянутых квазивертикальных больших и малых объемах.
3) Расчетные значения температур для землетрясений с магнитудами 5.0<=M<=9.0 соответствуют температурам кристаллизации составных элементов коры [2]. Сопоставление расчетных количественных значений данных размеров s, g и G с
температурой обнаруживает, что два первых из них испытывают увеличение по мере роста температур, а третий - объемный модуль упругости G - напротив, уменьшение [1, 2, 4, 5]. Зависимости параметров g, av от температуры Т предспредставлены прямыми линиями (рисунок 2). Как следует из представленного соотношения зависимость G=f(T) криволинейная, а s = f(T) кусочно- прямолинейная [2, 5].
Таким образом, теоретические расчеты количественных значений термодинамических и реологических параметров, которые обуславливают возникновение сильных землетрясений в земной коре, и статистическая обработка экспериментальных данных свидетельствуют о существовании универсальных зависимостей между физическими условиями в очаговых зонах. Для относительно слабых (М>=2.5) землетрясений выполняются аналогичные соотношения. Выяснены численные зависимости термодинамических и реологических параметров (таблица 1). Как указывается в методике [2], по данным реологическим и термодинамическим параметрам выделяются упругие, упруго-вязкие слои земной коры исследуемого региона. Это необходимо для практических целей выделения зон, готовых к возникновению сильных землетрясений. Применение полученных результатов поможет:
- выяснить функциональные зависимости физических параметров от магнитуды землетрясения.
- оценить количественные значения реологических и термодинамических параметров в очагах происходящих землетрясений.
Таблица 1 - Таблица расчетных количественных значений реологических и термодинамических параметров в очагах землетрясений М>2.5 за 1973-2024 г.г. для Земли по мировому каталогу землетрясений (1МЕ1С)
.4 к IgE Opr) IgV 1С«') lgU Ek ЦС) G-10" tt. op e 0 ten (П)
;s 1.1 1)38 12 44 2 94' 2 95 2109 8)4 1 1344 3 99E-05 000167 0 09493 0 10961 13 892
26 ses 156 12 64 2 957 2 96 20« 755 1 1756« 3 9IE-05 00C1" 009155 010763 16111
2 7 £86 15.82 12 Si 2967 29" 2024.05 1 19752 3 84E-05 О.ООГ4 0.08S24 0.10366 16328
M 9.04 16.03 13 06 297' 29$ 19$1.738 1 21999 3 "E-05 О.ООГ7 0.08502 0 10372 16 543
29 922 16.25 1326 2 98" 2.99 1939.819 1.24311 3 -CE-05 O.OOIS 008188 010179 16.756
3 9.4 16 46 13 46 2 99" 3 1898.294 1 2668$ 3 63E05 OCOIS4 007S84 009988 16967
3 1 9)8 166" 13 «6 3 00"' 3 01 183" 163 1 29134 3 36E-03 000187 0.07388 0 09799 17 176
32 9 76 16 S" 13 $6 3017 3 02 1816 426 1 31652 3 49E-05 OOOI91 0 07301 009611 17 383
3-3 9.94 i: os 14.05 3.02' 3.03 1"'6.082 1 34244 3.43E-0" 0.00195 0.07021 009426 17.588
3 4 1012 17.2$ 1424 3.037 3.04 1736 131 1.36913 3.36E05 0.00199 00675 009242 17 "91
ii 10-3 17.44 14.44 3 047 3.05 1696.5-4 1.39663 329E-05 000203 006487 00906 17 992
3« 1С 48 res 14.62 3 057 306 1657 411 1 42496 3.23E 05 000207 006232 0083$ 18 191
3.7 106« 17 as 1481 3 067 3 07 1618 642 1 43417 3 16E-03 0 00211 0 03984 0 08702 18 388
3$ 10 34 18 0" 1) 3 077 3 0S 15S0 266 1 43423 3 10E-05 000215 0 05-44 008525 18 583
39 1102 1327 15 IS 3037 3 09 1542 283 151534 3 04E-05 0 0022 005511 0 0835 18 77«
4 11.2 13 46 15.36 3.09" 3.1 1504 694 1-54*33 2 97E-05 0.00224 0.05285 0-OS 177 18.967
4 1 11J8 18 65 15.54 3.107 3.11 146" 499 1-58045 291E-05 0.00229 005066 0 G8C06 19 156
42 11.56 18 $3 15.72 3117 3.12 1430.69$ 161459 2S5E05 0.00234 004$54 007837 19 343
4J 11 "4 1902 15.89 3.127 3 13 139429 164984 2 "9E-05 0.00239 004649 00*67 19.528
4 4 11:92 192 1606 3 137 3 14 1353275 1 68627 2 "3E-05 000245 00445 00"504 19 "11
4.5 12.1 1938 1624 3.147 3 15 1322.654 1"2391 2 67E-05 0.0025 004258 0.0734 19.392
4 6 1228 19 56 164 J 157 3 16 128'427 1.76283 2 61E-05 0.00256 0 04072 007178 20.071
4 " 12 46 19 74 16 57 3 167 3 17 1252 594 1 S0303 2 55E-03 0 00261 003392 0 07018 20 248
48 12 64 1991 1674 3.177 3 18 1213 154 1S4472 2 49E-05 000267 003718 006859 20423
49 12 s: 20 09 16 9 3 137 3 19 1184 107 1 88*83 2 44E-03 0 00274 00355 0 06703 20 596
5 13 2026 17.06 3 197 32 1150454 1 93246 2 38E-05 0.0028 0033SS 006548 20767
51 13 18 2043 17.22 5207 3 21 11Г 195 I 97369 2 33E-05 0 0028* 003232 0 06395 20 936
< 2 13.36 20-59 17.33 3 217 322 1084.329 2 0266 2 27E-05 0.00294 0030$ I 006244 21 103
5J 13-54 2076 17.53 3.227 3.23 1051 $5$ 2.0762* 222E-05 0.00301 002935 006094 21 268
5.4 13.72 2092 17.6$ 3.237 324 1019.779 2 12"9 2 16E-05 0.00309 002795 0 05947 21 431
5.5 139 21 08 17.83 3247 325 9S8C942 2 18125 2 11 E-05 0.00316 0.02659 005801 21 592
56 14 08 2124 17.9$ 3'57 326 956S033 2236"5 2 06E-05 0.00324 002529 005657 21.751
Продолжение таолииы
5.7 и :e :i 4 1*1) 3 267 327 925 »059 2 2944 2 01E-05 000333 002404 005515 21 90t
5* 14 44 :i55 1*2* 3277 32* J95 40I7 2.3543 195E-05 0 00341 0022(3 005375 22063
5» ue: :i 7i 1*42 3 2*7 32» 15? 2914 2 4165* 190E-05 0 0035 00:167 0052)6 22 216
6 I4S :i*6 1*5« 3 297 3J 135 5743 24(136 115E-05 000 36 002055 00)09» 22 36?
6.1 14»* ::ot It.7 3.307 3J1 (062511 2J4*?7 1S1E-05 0003" 0019« 004»65 22516
«Л 1)3 It 94 3 325 3J2* 754 4611 2 67725 172E-05 ooostt 001765 004T26 22 77916
«1 IS 14 :: j 1*97 3 327 333 741 7155 269212 1 71E-05 0 0039 001746 0047 22 tot
64 из: :: 44 191 J}}7 3 J4 7206432 2.'6*3" l««E-05 000401 001651 00457) 2:951
6.5 157 :: 5* 1924 3 347 3 J5 692 t942 2*47» 16:1-05 0 00413 0015« 00444) 23092
tt IStt 22.72 19)6 3 357 3J6 «65 5391 2 9309 1 57E-05 0004:) 001473 0 04317 23231
6.7 160« ::*6 1949 3 367 3J: 63*577« ЗОГ59 П:Е-О5 0 0043* 00)39 00419} 23 36*
«.( ■6:4 ::»» 1962 3377 us «12 0096 3 10*1* 1 41E-05 0 004)1 00131 0 04071 23503
M 16 4: 211) 1974 33*7 3 39 5*5.(353 3202» 1 44E-05 0 00464 0012)3 003»S1 23636
>66 232« 19(6 3 397 3 4 5600544 3 30203 1 39E45 0 004-9 001161 003*32 23 ?67
16 7* 23 39 19.9( 3.407 341 5346672 3405*2 1J5E-05 0 00494 001091 003715 23*96
16 »6 :35i 20.1 3417 342 <09.6735 3.5145* 1ЛЕ-05 0 0051 001024 0036 24023
1" 14 :5 64 2021 3 427 3 43 4t50?35 3 62(63 12?E-05 0 00526 000961 0034*7 24 14*
7.4 1732 23 76 20J2 3 4J7 3 44 4«0(67J 3 74*32 I23E-05 0 00544 000901 00337« 24271
7.» 17.» :3tt 2043 3447 345 437 0544 ) 17402 1 19E-05 0 00362 0 00*43 0 03266 24 192
76 176* 24 20 54 3 457 3 46 413 6353 400615 1 I5E-05 0 005*1 0007*« 00315» 24 511
|7*6 24J2 2065 3.467 3.47 3W6096 414516 1 11E05 0 00601 0 00736 0.03053 24 62*
7 t 1(04 :4:J 20 7« 3477 3 4* 367 9777 4 29152 1 04-05 0 00622 0006(7 00294* 24 743
79 11.22 :4j5 20*6 3.4*7 3 49 345.7391 444576 1 WE-05 0 00645 00064 0 02*46 24*5«
t 1*4 :4.4t 209« 3497 )i 323*94: 4 «0(47 99*E-0« ooo««t 0 00596 0.02746 249«'
I.I 1*3* 210« 3.507 Ml 30:443: 4 7*026 9 62E-06 0 00693 000554 002647 2507«
»2 11."« 24«? 21 1« 3.517 J .52 :*и*5б 4 »«1*3 92TE-06 000719 000514 0.0255 25 1*3
IJ 1*94 24.7* 2125 ii:: )5) 260.1216 515394 *»)E-06 0 00-4- 0.00476 00245) 2521*
11 19.12 24** :i 34 3.537 3 54 2404511 5.35741 * 59E-06 040717 000441 0.02362 25 J91
1) 1»J МЯ 21.43 3.547 3i5 ::oj74s 5-5731« 125E-06 С OCJOI 0 00407 00227 25 492
tt 1» 4* :50* :i 52 3 557 3 56 201 0959 5*0219 7 91E-06 0 00*41 0 00376 00211! 25 59)
tt 1» *4 2527 21.7 3.57? J it 16) .3055 6J046I ' ¡'jt-St 0 00914 00031* 00200? 257*3
9 :«: 25 46 21*6 3 5»7 36 12-0943 6*753 6 69E-06 0 0099" 0 0026* 0 01t4 25 9«?
9 I :ол 2555 2194 3 607 3 61 109 5T93 719006 6 4CE-06 001043 000245 00176 2« 05«
»IJ :«4: 25 5« 2195 3 609 3 612 106 1233 7 2556 6 )4E-06 0 01052 0 0024 001744 2«0?356
В качестве выводов можно сделать следующие заключения : термодинамические параметры очага землетрясений характеризуют реологические свойства основных слоев земной коры Земли; уравнения из [2], описывающие взаимосвязи между термодинамическими параметрами, подтверждаются данными других исследователей.
Различие в реологических свойствах земной коры различных сейсмоактивных регионов Земли получает отражение в совокупности термодинамических параметров вне зависимости от их прямого или обратного соотношения с магнитудой землетрясения.
Термодинамические параметры очага землетрясения дают возможность оценки термического режима крупных тектонических элементов по глубине и дифференциации земной коры на отдельные реологические слои.
Землетрясения в сейсмоактивных орогенных областях с магнитудой М>6.0 характеризуют упругие, а с 2.5<М<5.0 - упруго-вязкие слои земной коры.
Полученные количественные значения термодинамических и реологических параметров в очагах землетрясений для разных магнитуд имеют важное значение для описания физических условий возникновения сильных, средних, слабых землетрясений. Служат для проведения НИР по изучению механизмов возникновения и природы землетрясений. Полученные практические результаты могут способствовать решению задач, связанных с проблемой прогноза катастрофических землетрясений [1, 2, 5]. В последние годы все чаще применяют различные методики прогноза землетрясений, но пока не выяснена природа этого явления необходимо направить все усилия на понимание реологических и термодинамических условий в очагах уже произошедших землетрясений. Когда станет более понятным физическая картина в очаговых зонах землетрясений разных магнитуд, тогда мы приблизимся к решению проблемы предсказания и понимания процесса подготовки будущих очагов землетрясений в разных сейсмоактивных регионах Земли.
Работа выполнена в рамках фундаментальных исследований в лаборатории физики геодинамических и сейсмических процессов ННЦСНИ МЧС РК под научным руководством академика НАН РК Курскеева А.К.
ЛИТЕРАТУРА
1. Курскеев А.К. Землетрясения и сейсмическая безопасность Казахстана. Алматы, 2004.-504с.
2. Тулиани Л.И. Сейсмичность и сейсмическая опасность: на основе термодинамических и реологических параметров тектоносферы.- М.:Научный мир, 1999. - 216с.
3. Мировой каталог землетрясений // Электронный ресурс.-http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html
4. Горбунова Е.А., Шерман С.И. Вероятность сильных (М>7.5) землетрясений в зонах разломов Центральной Азии (тектонофизический анализ). Геодинамика и тектонофизика. 2016;7(2):303-314. DOI:10.5800/GT-2016-7-2-0208
5. Литовченко И.Н. Физические параметры очаговых зон сильных землетрясений земной коры Северного Тянь-Шаня и прилегающих территорий // Известия НАН РК. Серия геологическая.-N 5.- Алматы, 2009-с.59-67.
6. Каталог сейсмических наблюдений за 1980-2024 г.г. Сейсмологическая опытно-методическая экспедиция (СОМЭ)
