CC BY
47
УДК 550.24
В.Ю. Тимофеев, Д.Г. Ардюков ИНГГ СО РАН, Новосибирск Е.И. Грибанова ГС СО РАН, Новосибирск
ВАРИАЦИИ НАКЛОНОВ И ДЕФОРМАЦИЙ В БРЗ
Наклоны и деформации земной коры изучаются различными геодезическими и геофизическими методами [1]. Для изучения современных тектонических деформаций, их связи с сейсмичностью Байкальского региона (БРЗ) непрерывные измерения проводятся с 1985 года в подземной галерее сейсмостанции Талая [2]. Известно, что наклономеры как индикаторы современных движений земной коры применяются в различных регионах мира для мониторинга современных деформаций, вызванных как техногенными воздействиями, так и естественными - землетрясениями и вулканами. В районе Байкальского рифта пункт наблюдений наклонов и деформаций (штольня Талая) находится на границе юго-западной части БРЗ и Сибирской платформы. Границей является глубинный разлом, пересекающий литосферу (мощность земной коры 45 км). Общая протяженность разломов по северной границе -более тысячи километров. В районе станции латеральные неоднородности коры и верхней мантии согласно расчетам порождают девиаторные напряжения в 35-40 МПа, т. е. близкие к максимальным для БРЗ [3]. Вдоль разлома к северу от станции осуществляется левостороннее смещение крипового типа. Согласно геологическим данным и тектоническим моделям средняя величина смещения на восток блоков земной коры юго-западной части БРЗ 2 мм в год. Современные вертикальные и горизонтальные смещения в БРЗ достигают максимальных значений в зонах глубинных разломов (до 10 мм в год). Физическое моделирование процесса растяжения литосферы с учетом особенностей БРЗ показывает наличие зоны растяжения в центре, флаговых субширотных сдвиговых областей и компоненты север-юг для юго-западной части БРЗ [4]. Двадцать лет наблюдений на станции Талая позволяют проанализировать связъ изменений наклона и вариации сейсмичности БРЗ.
Измерения наклонов в штольне сейсмостанции выполняются с помощью комплекта (С-Ю и В-З) кварцевых наклономеров (системы Д.Г. Гриднева) с цифровой записью. Чувствительность приборов (до 0.1 мсек. дуги) позволяет исследовать наклоны в приливном диапазоне, а также долговременный ход. При построении многолетних графиков хода наклона использовались значения скорости за месяц, которые определялись на начальную дату каждого месяца, приливные вариации в этом случае исключались. Наиболее наглядно изменение наклона во времени отражает векторная диаграмма. Она строится в координатах С-Ю и В-З, по приращениям за месяц, начало каждого года отмечено отдельно. Векторная диаграмма (рис. 1) показывает замыкание кривой за время около 18-20 лет (1985-2005 гг.). Амплитуда максимальных вариаций по обоим составляющим от 8 до 10 сек. дуги. Годовая скорость наклона изменялась от 0.01 до 3 сек. дуги. Поведение наклонов для компонент север-юг
и восток-запад различно, периоды вариаций наклона от 1-3 лет до 20 лет. По направлению север-юг отмечается инверсия в 1989 году.
Векторная диаграмма наклона с марта 1985 по декабрь 2005 г.
Рис. 1. Векторная диаграмма хода наклона с марта 1985 года по декабрь 2005 года. Горизонтальная ось: запад - восток, вертикальная ось: север-юг. Приведены направления на эпицентры землетрясений и отметки - начало года
Наклоны - это локальные деформации геологической среды и могут быть вызваны вариациями напряжений, связанными с сейсмической активностью региона. Рассмотрим сейсмологические данные для региона. На векторной диаграмме отмечены все зарегистрированные события магнитудой М > 3 на расстоянии 50 км (Ь), события М > 4.5 для 50 км < L < 100 км и события М > 5 для 100 км < L < 200 км. На временном интервале наклономерных наблюдений рассмотрим сейсмическую активность в блоке земной коры в районе с. Талая. Для 50-километровой зоны вокруг станции выделяются несколько этапов. Первый, до 1990 года, характеризуется слабыми землетрясениями М=3.5^4.0 (1^2 события в год) и заканчивается эпохой сильных землетрясений 1989-1991 годов, второй - их отсутствием до середины 1995 г. Третий период начинается в 1995 году. Он характерен двумя землетрясениями на западе и востоке от станции. На кривой хода наклонов выделяется реакция на сильные землетрясения в регионе. Инверсия в ходе наклона в азимуте север-юг произошла в 1989 году, а инверсия в азимуте восток-запад в 1995 и 1999 годах.
В целом, изменения наклонов во времени имеют сложный характер и коррелируют с сейсмической активностью, как локальной (до 50 км), так и региональной (до 200 км). По различным компонентам наклона зарегистрированы
смены знака движений в периоды: сильных землетрясений (М > 5.5). В период отсутствия землетрясений (1990-1995 гг.) изменения описываются кривой затухания деформаций в виде: е = ео-ехр(-1/Т). Т.е. деформирование земной коры в этот период имеет характер жестковязкого течения по реологической модели Кельвина-Фойхта при значении эффективной вязкости порядка = 2 х10 18 Па.-с. Подобное поведение горных пород можно объяснить существованием зон вертикальной трещинноватости вдоль разломной зоны и локальной аномалией - интрузией (с наличием слюды в штольне). Переменная часть тектонических напряжений по вариациям наклонов земной поверхности оценивается величиной порядка 2 МПа. Размер приразломной зоны деформации горных пород для наклонов имеет порядок первых километров. Полученные оценки для наклономерных измерений согласуются с данными нивелировок, определениям силы тяжести и деформаций. Резкие изменения в ходе вектора наклона коррелируют со временем возникновения сильных землетрясений (М > 5) во 200 км-ой зоне вокруг станции наблюдений. Также на рис. 1 отмечены моменты возникновения слабых землетрясений в 50 км-ой зоне вокруг станции.
С моментами возникновения землетрясений коррелируют следующие особенности векторной диаграммы: изменение месячной скорости хода наклонов, повороты направления хода вектора, образования «петель» на векторной диаграмме хода наклонов. Многолетние вариации деформации. Обратимся к результатам деформографических измерений в штольне станции Талая. Измерение линейных деформаций на плоскости в трех и более азимутах позволяет получить значения деформации в главных осях. Измерение деформаций по трем и более направлениям начаты в штольне Талая с 1989 года с помощью кварцевых штанговых приливных деформографов, а с 1995 года дополнены наблюдениями с помощью лазерных систем. Положение главных осей и их изменение во времени по отдельным годам и за все годы измерений по нарастающей от начальной эпохи (конец 1989 года) представлены в табл. 1 и 2.
Год 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Сжатие (1), sr106 6.9 11.9 1.1 5.5 1.3 2.3 2.6 0.3 2.0 1.0 1.1 1.8 0.5 0.7 0.9 1.3
Раст. (2), S2106 -5.8 -6.7 -4.0 -3.2 -2.1 -0.9 1.0 -2.1 -0.1 -0.4 -2.0 0.4 -1.1 0.1 -0.9 0.1
Верт.деф., s3-106 -0.4 -1.8 1.0 0.7 0.3 -0.5 -1.2 0.6 -0.6 -0.5 0.4 -0.7 0.2 -0.3 0.0 -0.5
Ориентация оси (2) 44.9 127.0 24.2 136.9 137.9 139.6 186.5 111.5 12.5 34.0 110.3 -46.3 -45.6 -84.3 -74.7 57.0
Объем. деф., 9-106 0.7 3.5 -2.0 1.5 -0.6 1.0 2.4 -1.2 1.3 0.4 -0.6 1.5 -0.4 0.5 +0.0 1.0
Сдвиг. дефор., у-106 12.7 18.6 5.1 8.7 3.4 3.2 1.6 2.4 2.1 1.4 3.1 1.4 1.6 0.6 1.8 1.2
Напряж. 1, ol, MPa 0.29 -0.20 0.03 0.25 0.04 0.11 0.15 -0.01 0.11 0.05 0.03 0.15 0.02 0.03 0.03 0.07
Напряж. 2, o2, MPa -0.22 0.55 -0.2 -0.10 -0.10 -0.02 0.08 -0.11 0.02 -0.01 -0.09 0.05 -0.05 0.01 -0.03 0.02
Сдвиг. напряж., т. 0.26 -0.37 0.10 0.17 0.07 0.06 0.03 0.05 0.04 0.03 0.06 0.05 0.03 0.01 0.03 0.02
Таблица 2. Значения деформаций по определениям на ст. Талая. Начальная эпоха - конец 1989 года
Год 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Сжатие (1), 81-106 6.9 6.7 2.7 7.8 9.0 11.3 12.8 12.9 13.3 12.5 13.0 14.8 15.3 15.7 15.4 16.0
Расшир.(2), 82-106 -5.8 -0.4 0.6 -2.1 -4.3 -5.1 -3.0 -4.8 -3.3 -2.2 -3.2 -2.8 -3.9 -3.5 -3.1 -2.2
Верт. деф., 83-106 -0.4 -2.1 -1.1 -1.8 -1.5 -2.1 -3.2 -2.7 -3.3 -3.5 -3.2 -4.0 -3.8 -4.1 -4.1 -4.6
Ориент. (в1) оси (1) в градусах -45.1 22.5 18.5 41.8 43.4 42.2 45.1 46.6 50.9 49.8 48.5 48.1 47.8 48.7 51.3 50.4
Ориент. (в2) оси (2) в градусах 44.9 112.5 108.5 131.8 133.4 132.2 135.1 136.6 140.9 139.8 138.5 138.1 137.8 138.7 141.3 140.4
Объем. деф., 9-106 0.7 4.2 2.2 3.7 3.1 4.1 6.5 5.4 6.6 6.9 6.4 8.0 7.6 8.1 8.2 9.2
Сдвиг. деф., у-106 12.7 -7.1 -2.1 -10.0 -13.3 -16.4 -15.8 -17.7 -16.6 -14.7 -16.2 -17.6 -19.2 -19.2 -16.5 -18.2
Наиболее значимое изменение в положении осей деформации (смена знака - инверсия осей) отмечено в период Бусингольского землетрясения, произошедшего в 400 км к западу от станции наблюдений - 27.12.1991, М = 6.5 ^ 7.0. Это изменение отражает смену знака смещений в системе разломов юго-западного фланга БРЗ. Обратившись к табл. 2, следует отметить, что инверсия осей главных деформаций произошла только в эпоху землетрясения 27.12.1991. Эпоха перед этим событием примечательна также максимальными годовыми значениями сдвиговой деформации. Эпохи землетрясений магнитудой 5.5-6.0 выделяются слабыми (несколько градусов) вариациями оси сжатия и сдвиговой деформации. Значимые изменения отмечены также в ходе объемной деформации. Полученный график изменений с конца 1989 года по конец 2005 года приведен на рис. 2.
Объемная деформация по ежегодным определениям (Талая)
10,0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0 1,0 0,0
М = 6.7 - 7.0, 400 км
М = 5.8 - 6.0, 85 км
М = 5.3 - 5.5, 67 км
М=4.4, 55 км
6 8 10 12 Время - годы (1989-2005)
14
16
18
Рис. 2. Вариации объемной деформации по ежегодным определениям, осреднения по эпохам (1989-1990, 1991-1995, 1996-2000, 2001-2005), показаны моменты сильных землетрясений в юго-западной части БРЗ
График получен на основе информации снятой со штанговых деформографов при тестировании результатов данными по лазерным деформографам. Как видим, на графике прослеживается накопление объемной деформации со временем. С другой стороны на графике можно выделить периоды квазипостоянного поведения (объемной деформации,
0
2
4
отмечены горизонтальными линиями) и скачкообразного изменения в эпохи сильных землетрясений региона (на графике показаны моменты землетрясений, магнитуда по Рихтеру и расстояние до эпицентра в километрах). С другой стороны можно рассматривать последнюю эпоху 2000-2005 гг. как период постепенного накопления (увеличения) объёмной деформации (рис. 2). В этом случае, возможно, происходит постепенная подготовка к сильному землетрясению вблизи станции, т.к. скорость накопления деформации не превышает значения 10-6/год и период до разрушения материала (10-3/год или 10-4/год) - до столетия.
В целом, следует сказать, что сильные землетрясения региона проявляются в долговременном ходе деформации в приразломной зоне: в объемной деформации, вариациях ориентации главных осей деформации и в изменениях величины сдвиговой деформации. Аномалии в параметрах деформации выделены для событий магнитуды 7 на расстоянии до 400 км от эпицентра, для событий магнитудой 5.5^6.0 на расстоянии 50-75 км от эпицентров.
Работа выполнена при поддержке Интеграционных грантов СО РАН № 27, 87, 116 и Программы Пр.РАН 16.3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Стейси Ф. Физика Земли / Ф. Стейси. - М.: Мир, 1972. - 342 с.
2. Тимофеев В.Ю. Исследование наклонов и деформаций земной поверхности в БРЗ / В.Ю. Тимофеев и др. // Геология и геофизика. - 1994. - № 3. - С. 119-129.
3. Кабан А., Юнга И., 2000. Напряжения земной коры Байкальского рифта / ДАН, 371. - № 4. - С. 526-530.
4. Chemenda A., Deverchere J., Calais E. 2002. Three-dimensional laboratory modelling of rifting: application to the Baikal Rift, Russia // Tectonophysics. 356, 253-273.
© В.Ю. Тимофеев, Д.Г. Ардюков, Е.И. Грибанова, 2007
