CC BY
27
УДК 550.361
ОЦЕНКА ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ ВОСТОЧНОЙ ТУВЫ В ЗОНЕ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВИЗАЦИИ 2011-2012 гг.
Альберт Дмитриевич Дучков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, профессор, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
Людмила Степановна Соколова
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, Новосибирск, проспект академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: DuchkovAD @ipgg.sbras.ru
Авторы рассмотрели распределение теплового потока на территории Восточной Тувы. Показано, что тувинские землетрясения (2011-2012 гг.) произошли в пограничной зоне между «холодным» и «горячим» блоками земной коры. Геотермическим методом выполнена оценка распределения температуры в земной коре вдоль профиля, проходящего через эпицентры землетрясений. Полученные данные использованы для оценка термоупругих напряжений в зоне сейсмической активизации 2011-2012 гг. Сделан вывод о возможном влиянии температурных условий на развитие сейсмического процесса.
Ключевые слова: Восточная Тува, землетрясения, земная кора, тепловой поток, температура, термоупругие напряжения.
EVALUATION THERMOELASTIC STRESSES IN THE CRUST OF EASTERN TUVA IN ZONE SEISMIC ACTIVITY IN 2011-2012
Albert D. Duchkov
Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect academician Koptyug, 3, Professor, Doctor of Sci., Chief scientific officer, tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
Lyudmila S. Sokolova
Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect academician Koptyug, 3, Ph.D., Senior Researcher, tel. (383)330-25-91
The authors examined the distribution of heat flow in East Tuva. It is shown that the Tuvan earthquakes (2011-2012) occurred in the border zone between the "cold" and "hot" crustal blocks. Geothermal method used to estimate the temperature distribution in the Earth's crust along a profile passing through the earthquake epicenters. The obtained data were used to estimate the thermoelastic stresses in the zone of seismic activity in 2011-2012 years. Calculations suggest a possible influence of temperature conditions on the seismic process development.
Key words: Eastern Tuva, earthquakes, earth's crust, heat flow, temperature, thermoelastic
stress.
Ранее неоднократно указывалось, что одной из причин возникновения землетрясений могут явиться термоупругие напряжения, формирующиеся в земной коре в результате изменений температуры земных недр во времени и пространстве [1, 2]. Впоследствии это направление исследований не получило развития. Причин вероятно две. С одной стороны, существенно развились сейсмологические исследования, которые показали, что сейсмичность связана со многими факторами, среди которых температура не является основным или очевидным. С другой стороны, очень медленно происходит по технологическим причинам накопление геотермических данных.
Землетрясения, произошедшие в Восточной Туве в 2011-2012 гг. (ML = 6,7-6,8) [3], случились после долгого сейсмического затишья в пограничной зоне между двумя блоками земной коры, характеризующимися различным тепловым режимом. Эта ситуация показалась нам благоприятной для оценки возможного влияния геотермических условий на развитие сейсмического процесса.
Геотермическими исследованиями [4, 5] установлено, что Тувинская котловина и предгорья Восточного Саяна характеризуются невысоким тепловым потоком (30-50 мВт/м ); восточные же районы Тувы, примыкающие к Байкальской рифтовой зоне, наоборот разогреты. Здесь тепловой поток (д) достигает 70-80 мВт/м (рис. 1).
2
Рис. 1. Распределение теплового потока мВт/м ) в Восточной Туве:
1 - пункты геотермических измерений д, 2 - пункты оценки д по измерения изотопов
гелия
в термальных источниках. 3 - звездочки отмечают эпицентры тувинских землетрясений 2011-2012 гг. Изогнутая линия показывает расположение интерпретационного профиля (начинается от р. Элегест и заканчивается в западной Бурятии)
На рис. 2 показан график теплового потока вдоль интерпретационного профиля и соответствующее ему распределение температуры в земной коре. Оценка глубинных температур выполнена геотермическим методом по данным о тепловом потоке, строении и физических свойствах (плотность, теплопроводность, радиогенная теплогенерация) земной коры.
80-
60
40 0
20
40 км
Рис. 2. Распределение теплового потока (верхний график) и температуры в земной коре (изолинии в 0С) вдоль интерпретационного профиля.
Вертикальные черточки - пересечение профиля с меридианами 950-990 в.д.; звездочки - расположение гипоцентров землетрясений 27.12.2011 и 26.02.2012 гг.; вертикальные штриховые линии - границы блоков I, II и III расчетной модели; ширина блока III С = 130 км
По тепловому режиму земную кору вдоль профиля можно разделить на три блока. На западе располагается «холодный» блок (I), где температура на границе Мохо составляет 500-600°С. На востоке можно выделить «горячий» блок (II), в пределах которого температура у подошвы земной коры превышает 1000-1100 0С. Непосредственно внутри «холодного» и «горячего» блоков изотермы располагаются в основном горизонтально, особенно в верхней коре. Между блоками I и II расположен промежуточный блок III, в пределах которого изотермы отклоняются от горизонтали, что свидетельствует о существовании горизонтальной температурной неоднородности, которая может привести к возникновению и накоплению температурных напряжений. Примечательно, что гипоцентры тувинских землетрясений располагаются именно в блоке III.
Используя такую блоковую модель земной коры мы попытались оценить хотя бы порядок возможных термоупругих напряжений, которые могут возникнуть в блоке III. Все расчеты выполнены в пределах этого блока. Начало координат располагалось в точке пересечения западной границы
блока с поверхностью, ось у направлена на восток, ось z - вниз; на верхней границе сохраняется нулевая температура.
На боковых границах блока III существуют распределения температуры
T1(z) и T2(z), соответствующие средним тепловым потокам в блоках I и II (q1
22
= 45 мВт/м и q2 = 75 мВт/м ). Учитывая это, изменение температуры внутри блока III можно описать формулой:
T(z,y) = Ti(z) + [AT(z)y]/C (1)
Согласно [1, 2] для оценки температурных напряжений в породах земной коры применима теория упругих деформаций. Из обзора В.Н. Николаевского [7] следует, что наиболее благоприятные условия для накопления напряжений, приводящих к землетрясениям, существуют до глубин 20-25 км. Поэтому расчеты производились до глубины 30 км.
Для оценки термоупругих напряжений в блоке III мы воспользовались схемой, предложенной в работе [2] для тех же целей применительно к осадочной толще. Особое внимание было уделено оценке скалывающих напряжений, которые сопровождают сдвиговые процессы, доминирующие в земной коре. Рассматривалась двумерная задача поскольку в блоке III температура изменяется в горизонтальном направлении только по оси у. Для расчета скалывающих напряжений ozy авторами получена формула:
Gzv = 0,5[(1-2v)/(1-v) p gz - EaAT/(1-v)] , (2)
где а - коэффициент линейного расширения, E - модуль Юнга, v -коэффициент Пуассона, р - плотность пород земной коры, g - ускорение силы тяжести. Первый положительный член в формуле (2) отвечает за упругие напряжения, второй член со знаком минус определяет напряжения, связанные с пространственными изменениями температуры.
Чтобы получить количественную оценку возможных скалывающих напряжений в блоке III , подставим в формулу (8) типичные для горных пород значения входящих в нее величин: Е = 60 ГПа, v = 0,25, а = 10-5 К-1 , р
3 2
= 2700 кг/м , g = 9,8 м/сек . AT оценивается по формуле (1). Результаты расчетов ozy в блоке III приведены в таблице.
Таблица
Распределение скалывающих напряжений ozy (в Мпа) в блоке III
У, км Z, км 0 16 32 49 65 81 97 114 130
1 0,8 0,7 0,4 -0,4 -0,5 -0,7 -0,8 -1 -11
5 12 8 4 0,1 -4 -8 -12 -16 -20
10 24 19 13 8 2 -3 -9 -14 -20
15 40 33 25 18 10 3 -4 -12 -20
20 56 48 38 30 20 15 2 -6 -16
25 80 69 58 46 34 23 12 -0,1 -12
30 105 91 77 65 49 35 21 7 -7
Примечание: черным цветом выделена часть разреза, в которой на глубине 14 и 17 км расположены гипоцентры тувинских землетрясений 2011-2012 гг.
Из таблицы следует, что в блоке III развиваются скалывающие напряжения противоположных знаков. В левой части блока превалируют положительные упругие напряжения. Влияние температурной составляющей здесь не заметно. Примерно с середины блока отрицательные температурные напряжения возрастают и в конце концов начинают преобладать. Нулевая граница соответствует балансу этих двух видов напряжений. Гипоцентры землетрясений примерно приурочены к зоне смены типов напряжений. По абсолютной величине рассчитанные суммарные напряжения на глубине расположения гипоцентров составляют 20-30 МПа, т.е. примерно на порядок ниже предельных значений прочности кристаллической коры, которые согласно работе [8] составляют 400-500 Мпа на глубине 15-20 км. Разрушение пород происходит, если скалывающие напряжения превосходят свои предельные значения прочности. В этих условиях землетрясение может произойти лишь в ослабленной зоне, где прочностные свойства пород значительно снижены. Ослабленные зоны существуют вблизи разломов, в местах распространения сильной трещиноватости. Очевидно из-за приуроченности к зонам разломов скалывающие напряжения даже очень сильных землетрясений могут не превышать 10 МПа [1], что даже в 2-3 раза ниже полученных нами значений. Согласно [4] тувинские землетрясения приурочены к Каахемскому глубинному разлому, активность которого длительное время поддерживается тектоническими силами.
Выполненное исследование не может считаться доказательством того, что именно наблюдаемая температурная неоднородность однозначно является единственной причиной происходящих в обсуждаемом регионе землетрясений. Накопление термоупругих напряжений в земной коре блока III может рассматриваться в качестве одной из причин произошедшей здесь сейсмической активизации. В данном исследовании выполнена весьма грубая оценка термоупругих напряжений. В дальнейшем необходимо рассмотреть более реальную термомеханическую модель.
Благодарности. Исследование выполнено при поддержке проекта 4.1. Президиума РАН «Сейсмические активизации в индустриальных кластерах юга Сибири: особенности развития и сейсмическая опасность».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. - М.: Недра, 1965. - 379 с.
2. Тёркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. Часть 1. - М.: Мир, 1985. - 374 с.
3. Еманов А.Ф., Еманов А.А., Лескова Е.В., Фатеев А.В., Подкорытова В.Г., Радзиминович Я.Б., Гилёва Н.А., Массальский О.К. Тувинские землетрясения 2011-2012 гг.: эпицентральные наблюдения, модель развития тектонического процесса // 50 лет сейсмологического мониторинга Сибири: Тезисы докладов Всероссийской конференции с
международным участием (21-25 октября 2013 г., г. Новосибирск). - Новосибирск: Изд-во Полиграфика, 2013. - С. 54-58.
4. Соколова Л.С., Дучков А.Д. Новые данные о тепловом потоке Алтае-Саянской области // Геология и геофизика, 2008. - Том 49. - №12. - С. 1248-1261.
5. Дучков А.Д., К.М. Рычкова, В.И. Лебедев, И.Л. Каменский, Л.С. Соколова/ Оценки теплового потока Тувы по данным об изотопах гелия в термоминеральных источниках // Геология и геофизика, 2010. - Том 51. - №2. -С. 264-276.
6. Тепловое поле недр Сибири. - Новосибирск: Наука, 1987. - 185 с.
7. Райс Дж. Механика очага землетрясения. - М.: Мир, 1982. - 217 с.
8. Крылов С.В., Тен Е.Н. Оценка прочности кристаллических пород по данным глубинного сейсмического зондирования на Р- и S-волнах // Геология и геофизика, 1994. -Том . - №5. - С. 20-30.
© А. Д. Дучков, Л. С. Соколова, 2014
