CC BY
132
ТЕОРИЯ УПРУГОЙ ОТДАЧИ, ДИЛАТАНСИЯ, ГЕОДЕЗИЯ - ПРОГНОЗ
Виктор Петрович Савиных
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, тел. (499) 261-46-19, академик Международной академии астронавтики, Российской инженерной академии, член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор, летчик-космонавт СССР
Анатолий Кузьмич Певнев
Институт физики Земли РАН, 123995, Россия, ГСП-5, Москва Д-242, Б. Грузинская ул., 10, стр. 1, профессор, д.т.н., тел. (499)152-61-93, е-mail: [email protected]
Харьес Каюмович Ямбаев
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, профессор, д.т.н., проректор по научной работе, тел. +7(499)763-34-35, e-mail: [email protected]
Проблема прогноза землетрясений - одна из наиболее значимых в науках о Земле. Конечно, значимость проблемы уже давно осознана ученым сообществом многих стран мира (Япония, Китай, Россия - СССР и др.), однако она далека от решения и мы до сих не умеем прогнозировать даже сильные землетрясения.
Ключевые слова: землятресения, прогноз, теория упругой отдачи, прогнозные построения.
THEORY OF ELASTIC RECOIL, DILATANCY, GEODESY: EARTHQUAKE FORECASTING
Victor P. Savinykh
Ph.D., Prof., Academician, Russian Engineering Academy, International Academy of Astronautics, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, space pilot, Moscow State University of Geodesy and Cartography, 4 Gorokhovsky per., Moscow, 105064, phone: (499)2614619
Anatoly K. Pevnev
Ph.D., Prof., Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, 10 Bolshaya Gruzinskaya St., Moscow, D-242, phone: (499)1526193, е-mail: [email protected]
Kharyes K. Yambayev
Ph.D., Vice-rector for Research, Moscow State University of Geodesy and Cartography, 4 Gorokhovsky per., Moscow, 105064, phone: +7(499)2614619, e-mail: [email protected]
The problem of earthquake prediction is one of the most significant for Earth’s sciences. Though the scientists of many countries (Japan, China, Russia and others) are aware of the problem urgency, it has not been solved as yet. We cannot forecast even major earthquakes.
Key words: earthquake, prediction, theory of elastic recoil, forecasting.
Проблема прогноза землетрясений - одна из наиболее значимых в науках о Земле. Конечно, значимость проблемы уже давно осознана ученым сообществом многих стран мира (Япония, Китай, Россия - СССРи др.),однако
она далека от решения и мы до сих не умеем прогнозироватьдаже сильные землетрясения (примеры: Спитакское М=7.2, Сахалинское М=7.5, Кобе М=7.0 и
др.).
Понятно, что есть объективные трудности, связанные со сложностью самой проблемы. Широкомасштабные эксперименты по выдаче краткосрочного прогноза выполняются в районе Паркфилда в Калифорнии (США) и районе Кобе (Япония).
Однако пока нет общепризнанных концепций развития очага будущего землетрясения даже для наиболее частых и изученных случаев коровых землетрясений, когда землетрясение происходит как внезапное проскальзывание в противоположных направлениях существующих крупных разломов типа Сан - Андреас в Калифорнии, Памбак - Севакского в Армении, Северо - Анатомитского в Турции и т.д.
Г еодезический (деформационный) метод прогноза землетрясений основывается на теории упругой отдачи, основанной на главном положении гипотезы Г.Ф. Рейда, а именно: «Разрушение горной породы, вызывающее тектоническое землетрясение является результатом упругих деформаций, обусловленных относительным смещением прилегающих друг к другу участков земной коры. Эти смещения - сдвиги.возможно, могут вызывать увеличение объема горных пород из - за явления дилатансии(dilatansiya). Так можно интерпретировать механический принцип, лежащий в основе коровых землетрясений, выражающийся деформациями верхней (дневной) поверхности сейсмогенного слоя земной коры.
Результаты повторных геодезических измерений могут показать характер накопления напряжений по изменению величин плановых и высотных деформаций земной коры в пунктах наблюдений(рис.1), количество и взаимное положение которых зависит от геолого - тектонической структуры того или иного сейсмоактивного участка (региона) Земли.
Новозеландский сейсмолог Дж. Эйби в работе пишет: «Сегодня мало кто из сейсмологов сомневается в корректности теории упругой отдачи в целом».
Убедительным подтверждением теории упругой отдачи является землетрясение в 1819 г. На побережье залива Кач в Индии, где ярко проявились противоположно направленные вертикальные деформации (смещения) земной коры.
Считать накапливаемые деформации прогнозным признаком можно лишь, если полагать деформации упругими. При подготовке сильных коровых землетрясений регулярное изгибание испытывает и земная поверхность над очагом, являющаяся его верхней границей. Именно участие земной поверхности в процессе подготовки очага и открывает реальные возможности геодезического метода обнаружения и отслеживания искомого прямого признака - предвестника землетрясения.
Если в какой-либо малой части тела приложена уравновешенная система сил, то она вызывает в теле напряжения, очень быстро убывающие по мере удаления от этой части (экспоненциальный характер затухания напряжений".
Поэтому из-за появления концентратора напряжений (спайки) возникшее местное поле упругих напряжений будет закономерно, экспоненциально изменяющимся полем, обеспечивающим упругую изгибную деформацию (упругий изгиб) горных пород в готовящемся очаге землетрясения.
Максимальное упругое смещение будут иметь горные породы, примыкающие к остановившемуся участку разлома, а по мере удаления в обе стороны от этого участка упругие смещения горных пород будут быстро и закономерно убывать.
Теоретическое обоснование вида деформационного предвестника землетрясения - это упругий изгиб горных пород в очаге готовящегося землетрясения, определяется следующим уравнением
d = De ах (1)
где d - величина упругого смещения рассматриваемой точки земной поверхности; х - удаление этой точки от разлома; D - максимальное упругое смещение на разломе (х =0); а - параметр, характеризующий упругие свойства горных пород в очаге.
Имеющиеся данные повторных геодезических измерений в эпицентральных зонах сильных коровых землетрясений (рис.1) убедительно свидетельствуют в пользу того, что процесс подготовки очага корового землетрясения затрагивает и земную поверхность.
Предлагаемые решения основаны на теории упругой отдачи Г.Ф. Рейда и известного явления изменения объема материала (горных пород) при сдвиговой деформации - дилатансия (dilatansiya) - термин введен О. Рейнольдсом (1885 г.) и изучен М. Рейнером (1963 г.)
Выполненными в последние годы исследованиями были установлены реальные возможности и найдено действительное место деформационного (геодезического) метода в проблеме прогноза землетрясений. Исследованиями установлено, что подготовка очага сильного корового землетрясения сопровождается прямым и единственно достоверным прогнозным признаком, которым является закономерная деформация - накапливаемый во времени упругий сейсмогенный изгиб горных пород в очаге. И теоретические соображения, а, самое главное экспериментальные данные - результаты повторных геодезических измерений, выполненных в эпицентральных зонах случившихся землетрясений и структура полей афтершоков после сильных землетрясений - с полной определенностью говорят о том, что указанный изгиб испытывает и земная поверхность над готовящимся очагом. Благодаря этому обстоятельству открывается реальная возможность путем повторных геодезических измерений отслеживать процесс накопления сейсмогенных деформаций в этом очаге, что равнозначно осуществлению прогноза места готовящегося очага землетрясения.
Итак, для осуществления прогноза места очага необходимо обнаружить участок сейсмогенной зоны, испытывающий закономерное упругое изгибание. Именно решению этой задачи должны быть подчинены вид и размеры
специальных геодезических построений, количество пунктов и их взаимное расположение в этих построениях._______________________________
</ Сан-Андреас ^ 40 20 1 м 1906 г. М = 8,25 К- -
"•5Л 1 Гомура 2 40 20 1 20 40 - 2 - 3 - 4 м 1927 г. М= 7,50 ******
6 Танна 1 ■ 40 20 20 40 ■ 1 м V? . 1930 г. М= 7,00
2 - Империал-Вэлли 1 • 40 20 20 40 м 1940 г. М- 7,10
ё 2 - Фэрвью-Пик 4° . 20 1 ' 20 40 ■ 1 ■ 2 м 1954 г. М= 7,10
20 40 1 - 2
Рис. 1. Реальное распределение смещений ё геодезических пунктов
в зонах сейсмогенных разломов при сильных коровых землетрясениях в зависимости от удаления геодезических пунктов от разломов
Следует отметить, что в арсенале геодезии имеется достаточное количество различных методов, средств и систем измерений, которые могут быть взяты на вооружение при создании деформационных (геодезических) полигонов (сетей), которые следует выбирать как с учетом необходимой точности определения величин смещений пунктов, так и с учетом других условий.
Для уверенного определения вида деформаций исследуемого участка земной поверхности полигон должен иметь большую густоту пунктов, которая может быть переменной: в наиболее деформируемой центральной части сейсмогенной зоны пункты нужно располагать чаще, а к краям зоны их можно располагать реже.
Совершенно очевидно, что схема расположения пунктов должна корректироваться для каждого конкретного геодезического полигона.
Расположения пунктов должно оптимизироваться для фиксации как нарастающего во времени упругого изгиба (максимального в зоне сейсмического шва и вблизи него), так и сбрасываемых напряжений (деформаций), возникающих в очаге при его разрушении.
Это и есть реальный путь к точному и достоверному прогнозу местоположения готовящегося очага землетрясения.
На рис. 2 показана принципиальная схема обнаружения очага готовящегося землетрясения.
І0 *1 ь
Рис. 2. Принципиальная схема обнаружения очага готовящегося землетрясения
На этом рисунке: вертикальные линии - сейсмогенный разлом, смещения по которому показаны стрелками; - момент создания прямолинейного геодезического прогнозного профиля аоЬ, черные точки на профиле -геодезические пункты. ^ - момент повторных измерений на профиле. Если прямолинейный профиль был создан над уже готовящемся очагом землетрясения, или подготовка очага началась в промежутке между 10 и ^, то в момент ^ пункты геодезического профиля будет располагаться на экспоненциальной кривой аоЬ, являющейся единственным достоверным признаком процесса накопления упругих сейсмогенных деформаций в исследуемом участке сейсмогенного разлома.
Именно такое использование геодезического метода откроет путь к прогнозу места очага готовящегося землетрясения.
Геодезическому методу доступен не только прогноз места очага, но и прогноз его силы. Дело в том, что сила землетрясения функционально связана с размерами его очага и, следовательно, к прогнозу силы готовящегося землетрясения можно подойти через определение размеров его очага.
Длину и ширину очага готовящегося землетрясения можно определять геодезическим методом, создав на всем протяжении исследуемой сейсмогенной зоны ту или иную комбинацию прогнозных геодезических построений рассчитанную на достоверное обнаружение готовящихся очагов тех или иных размеров; такие построения назовем "геодезическими прогнозными системами" — ГПС
Так можно решить проблему прогноза максимально возможной силы готовящегося землетрясения. На рис. 3 модель деформирования земной поверхности в районе ГПС.
и
1 2 3 4 5 6 7 8
1 2 3 4 5 6 7 8
Ь
Рис. 3. Модель упругого деформирования земной поверхности над очагом готовящегося землетрясения (в момент
Линии (1-1,...8-8) - геодезические профили, которые в момент зарождения очага (;0) представляли собой сплошные прямые линии, в процессе подготовки очага были либо разорваны и смещены по разлому (1 -1 и 8-8), либо и деформированы и смещены (2-2 и 7-7), либо упруго деформированы над очагом (3-3, ...6-6); I - зона сжатия; II - зона растяжения; L - линия прекращения смещений по разлому т.е. искомая длина очага готовящегося землетрясения («спайка»);
Х - ширина очага землетрясения.
Размещение ПГС (частота их расположения вдоль сейсмогенной зоны) зависит от минимальной силы землетрясения, очаг которого должен быть распознан. Так, если ставить целью прогнозироватьтземлетрясения с магнитудой М>7, то ПГС можно располагать через 30 - 40 км, так как длина очага землетрясений с М=7 составляет около 60 км и, следовательно при размещении профилей через 30 км такой очаг не будет пропущен. Длина очага землетрясения с М=6 составляет примерно 20 км и поэтому ПГС можно размещать через 10 км. Для землетрясений с М=5 профили следует располагать не реже чем через 4-6 км, так как длина очага такого землетрясения около 8 км.
Приведенная схема геодезического мониторинга позволяет осуществлять два прогноза - прогноз места готовящегося очага землетрясения и прогноз силы, которую способен породить исследуемый очаг.
И.П. Добровольским на основе взглядов Г.А. Гамбурцева разработана консолидационная (физическая) модель подготовки и протекания землетрясения.
Г. А. Гамбушев полагал, что очаг землетрясения должен представлять тело, преобладающими деформациями которого являются упругие деформации. Это условие является необходимым и достаточным для зарождения и формирования очага землетрясения. Такие консолидационные участки в сейсмогенных разломах? Он метко назвал «спайками» и полагая, что в сейсмогенных разломах наряду с процессом разрушения - уменьшения прочности отдельных участков сейсмогенных швов, - может идти обратный процесс «залечивания» разрушенных мест, образование новых «спаек» между соседними блоками. Это, видимо, можно объяснить действием эффекта «дилататансии» - расширение объема пород вследствие сдвиговой деформации. Таким образом, происходит закономерная смена взаимосвязанных процессов накопления и разрушения напряжений.
Переход состояния среды из неустойчивого в устойчивое сопровождается выделением энергии Е, величина которой обусловлена размерами блока и его энергонасыщенностью, а не энергией возмущения ДЕ, которая всегда оказывается много меньше Е.
Второй и третьей особенностями земной коры являются непрерывное движение, наличие горизонтальных и вертикальных перемещений, а также наличие значительных касательных напряжений.
Консолидационная модель учитывает определяющие свойства земной коры и основана на анализе поведения ансамбля блоков, находящихся в состоянии относительного движения. Ее сущность, кратко, состоит в следующем: цикл одиночного землетрясения имеет три фазы, следующие друг за другом в периодической последовательности (рис. 4).
/ / / / / / / \
а -— р —- 1
1 2 3 1
Рис. 4. Схема процесса подготовки и протекания землетрясения по консолидационной модели. ДW - приращение упругой потенциальной энергии зоны подготовки, t -время, 1 - фаза регулярного состояния,
2 - фаза консолидации, 3 - фаза разрушения
Фаза регулярного состояния сменяется фазой консолидации, на которой два или несколько блоков входят постепенно в относительно прочное зацепление, образуя консолидированную область или неоднородность, чьи осредненные свойства отличаются, очевидно, от аналогичных ее свойств до консолидации. Далее на фазе разрушения происходит распад консолидированной области путем быстрых пластических подвижек, форшоков, магистрального разрыва (или роя) афтершоков. которые приводот среду вновь в фазу регу лярного состояния.
Часть фазы разрушения от ее начала до магистрального разрыва (или начала роя землетрясений) названа а стадией, а оставшаяся часть фазы - в стадией. На а стадии возникают пластические подвижки форшоки краткосрочные предвестники, в стадия характеризуется афтерштоковой деятельностью.
Консолидированная область является тем особым объемом в земной коре. разрушение которого магистральным разрывом и вызывает землетрясение.
«В консолидированной области и ее ближайшей окрестности по границам между блоками могут происходить пластические подвижки, которые проявляются на поверхности соответствующими изменениями наклонов и деформаций.
На фазе разрушения происходит распад некоторого особого объёма а, поскольку до сих пор особым объемом было включение, то происходит распад некоторого расширяющегося обьема среды - дилатансия (рис. 5).
Рис. 5. Модель действия эффекта дилатансии
Таким образом, в конце XX века находит дальнейшее развитие идея высказанная Г. Рейдом в начале века.
измерений, выполненных до и после землетрясений. Ниже приводится результаты геодезического мониторинга движений земной коры (рис. 6, 7, 8), подтверждающее эффективность геодезического деформационного прогнозного метода, основанного на вышерассмотренной теории упругой отдачи и дилатансии.
ГРАФИК
Рис. 6. График вертикальных движений по линии Ленинакан - Спитак - Кировакан
• Махачкала
Рис. 7. Схема повторных нивелировок на Северном Кавказе
Крупнейшие землетрясения в Армении (г. Спитак) в 1988 г. вызвало деформации земной коры (рис. 6), полностью коррелированные с консолидационной моделью ИП Добровольского (см. рис. 4).
На Северном Кавказе до и после трех происшедших, соответственно, в 1947, 1963 и 1971 г. землетрясений (рис. 7) результаты повторных нивелировок представлены, соответственно, нарис. 8.
Рис. 8. Скорости движения земной коры по результатам повторных нивелировок а - Свелоград-Буденновск; б - Невинномыск-Минеральные воды;
в - Армавир-Светлоград
Вышеприведенные результаты повторных нивелировок согласуются с теорией упругой отдачи (изгиба) и могут быть доказательством правомочности геодезического метода прогноза землетрясения.
В настоящее время все шире развиваются региональные спутниковые координатно-навигационные системы хозяйственного назначения для обеспечения крупномасштабных топографических съемок, для решения задач землепользования (кадастров различного назначения, разбивочных работ и исполнительных съемок в строительстве, навигации и т.п.). Как правило, такие референц-системы представляют собой совокупность значительного количества постоянно действующих ГЛОНАСС/ОРБ геодезических пунктов.
При надлежащем расположении и закреплении пунктов референц-сетей в городах и на территориях регионов, при введении в их компьютернокоммуникационную систему блока деформационного мониторинга и некоторых
других доступных по стоимости обременений такие региональные референц-системы (РРС) также могут быть одним из реальных путей геодинамического мониторинга, особенно в сейсмоактивных регионах.
Таким образом, при надлежащем отношении органов государственной власти регион может получить возможность организации геодинамического мониторинга с минимальными финансовыми вложениями. Разработку такого геодинамического блока (см. рис. 9), обязательного в составе региональной референц-системы, возможно осуществить на примере действующих РРС.
Рис. 9. Структура системы деформационного мониторинга
© В.П. Савиных, А.К. Певнев, Х.К. Ямбаев, 2013
