Сотри случайные черты. Глобальная упорядоченность сейсмоактивных регионов.

Сейсмоактивные геологические структуры достаточно упорядочены по своим размерам и местоположению. Связь региональной сейсмичности со структурой и динамикой литосферы наиболее ярко выражена в глобальном масштабе благодаря сейсмогеодинамическим взаимодействиям литосферных плит. Самыми активными являются конвергентные (сходящиеся) структуры литосферы Земли, представленные дугообразными границами по периферии океанов - в зонах субдукции, а также их реликтами на континентах. Среднестатистическая протяженность каждого из конвергентных регионов мира составляет около 3000 км. Размеры этих областей и их пространственное распределение имеют самое непосредственное отношение к величине магнитуды максимальных возможных в их пределах землетрясений, что чрезвычайно важно для оценки сейсмической опасности и сейсмического районирования сейсмоактивных регионов.

Глобальная упорядоченность сейсмоактивных регионов мира. Толстые полосы - конвергентные границы литосферных плит (оси зон современной и древней субдукции),тонкие линии - дивергентные границы плит (оси рифтовых зон и трансформных разломов).

Каждый из таких регионов характеризуется свойственными ему внутренней структурой и сейсмическим режимом - повторяемостью землетрясений. Поэтому, по нашему мнению, при разработке моделей зон возникновения сейсмических очагов именно регионы указанных выше размеров должны приниматься за "исходную" сейсмогенерирующую структурную единицу, отражающую явление своеобразного "сейсмогеоценоза". (Кстати, так и делалось по инициативе автора этих строк при создании комплекта новых карт общего сейсмического районирования Северной Евразии - ОСР-97).

Северная Евразия, охватывающая территорию России и сопредельных с нею регионов, с геологической точки зрения, включает в себя четыре крупные платформы разного возраста - Восточно-Европейскую, Западно-Сибирскую, Скифско-Туранскую и Сибирскую, имеющие примерно одинаковые размеры и характеризующиеся относительно слабой сейсмичностью. Схожи по размерам и орогенические регионы, которым свойственна чрезвычайно высокая сейсмическая активность. Это - Иран-Кавказ-Анатолийский, Центрально-Азиатский, Алтай-Саяно-Байкальский, Курило-Камчатский и другие регионы. Протяженность каждого из них обусловлена субдукционным происхождением и, как уже было сказано, составляет около 3000 км.

Курило-Камчатская зона субдукции с глубиной гипоцентров землетрясений, превышающей 600 км, является наиболее подвижным и сейсмоактивным регионом Северной Евразии. Здесь возникают самые крупные землетрясения и высвобождается основная доля сейсмогеодинамических деформаций и упругих напряжений. Очаги с промежуточной глубиной залегания (от 70 до 300 км) свойственны двум другим хорошо выраженным реликтовым зонам субдукции - району Вранча - в Восточных Карпатах, на территории Румынии, и Памиро-Гиндукушу - в Центральной Азии, на территории Афганистана и Таджикистана. Преобладающее же число сейсмических очагов расположено в верхней части земной коры на глубинах до 15 - 20 км. Из-за относительно небольшой глубины залегания такие очаги являются наиболее опасными, вызывая интенсивные сотрясения и деформации земной поверхности в эпицентральной области.

Упорядоченность очагов землетрясений и сейсмогеодинамических процессов.

Землетрясения возникают в дискретной слоисто-блоковой среде, структура которой предопределена предыдущими геологическими эпохами, а в конечном итоге - новейшей и современной геодинамикой. Сейсмические очаги не рассеяны хаотично, а приурочены к относительно узким линеаментным (прямолинейным или почти прямолинейным) зонам активных разломов. Размеры разломов и расстояния между ними, в свою очередь, обусловлены толщиной и прочностными свойствами соответствующих слоев, подвергшихся в прежние геологические эпохи разломообразованию. Чем толще слой, расчлененный разломами на блоки, тем глубиннее и протяженнее сами разломы, тем крупнее образованные ими блоки и мощнее приуроченные к ним очаги землетрясений. И наоборот, с уменьшением толщины слоев уменьшаются размеры соответствующих разломов, геоблоков и сейсмических очагов.

Нами было обнаружено, что расстояния между дислокационными узлами пересекающихся разломов и, соответственно, размеры образованных ими геоблоков, имеют ярко выраженную тенденцию группироваться по рангам, примерно удваивая от ранга к рангу свои размеры в плане и по глубине. Природа этого явления, скорее всего, кроется в регулярности удвоения глубины залегания основных границ раздела в земной коре и верхней мантии, которых и достигают разломы соответствующих рангов. Так, кровля "гранитного" слоя на континентах, в среднем, залегает на глубине около 10 км, верхняя граница "базальтового" слоя - на 20-25 км, подошва земной коры - на 40-50 км, подошва литосферы - на глубине около 100 км, астеносферы - около 200 км, далее следуют границы на глубинах около 400 и 700 км. Как выясняется, этой фундаментальной закономерности скачкообразного изменения физических свойств вещества с удвоением глубины его залегания подчинены все геологические горизонты, вплоть до земной поверхности, включая речные террасы и даже почвы.

Упорядоченным образом представлена и иерархия солитоноподобных ("уединенных") деформационных волн сейсмической активизации ("геонов", в терминологии автора), обеспечивающих динамику взаимодействующих геоблоков и направленность развития сейсмогеодинамических (СГД, в терминологии автора) синергетических процессов.

Распространяясь вдоль разломов, геоны (G, рисунок слева) как бы по частям перемещают их борта, что природе энергетически гораздо выгоднее, чем смещать породы целиком вдоль всего разлома.

Движение геона образно можно уподобить действиям дождевого червя, перемещающего свое тело путем последовательного переноса вдоль него небольшого локального утолщения (своеобразного солитона), а в итоге, как бы по частям, и всего туловища (см. слева).

Геон - это достаточно локализованный градиентный участок уплотняющегося (в случае сжимающих геодинамических напряжений) или разуплотняющегося (в случае растяжения) объема геологической среды, перемещающегося вдоль бортов разлома. В центре приведенного слева рисунка геон уплотнения G изображен в виде локального утолщения дальнего бруска, имитирующего уплотнение среды на левом крыле разлома. На каждом из фрагментов приведенного рисунка верхняя, видимая, часть геона условно показана в форме функции нормального распределения напряжений.

Именно геоны при своем перемещении создают и разрушают разнообразные зацепы пород вдоль разлома, провоцируя тем самым возникновение в том или ином месте разлома очагов землетрясений (модель справа).

Сейсмогеодинамический потенциал и протяженность (длина волны) геона, как и размеры разломов и геоблоков, обусловливают величину магнитуды соответствующего землетрясения. Сейсмические очаги могут возникать в любой части геона (фронтальной, центральной, тыловой) в зависимости от их потенциального механизма и степени "созревания". В целом же, вероятность возникновения сейсмических очагов наиболее высока именно в пределах геона, внутри так называемого пространственно-временного канала (ПВК, в терминологии автора).

Кинематические параметры движущегося геона напоминают распространение обычных сейсмических волн и так же, как и они, среди прочих параметров, характеризуются годографом. В данном случае - это показатель средней скорости перемещения объемного геона внутри ПВК (нижняя часть рисунка). Зная скорость перемещения геона, можно осуществлять долгосрочный прогноз местоположения области сейсмической активизации (ОСА), соответствующей проекции геона на земную поверхность, а также оценивать величину магнитуды и даже предсказывать промежуток времени (в годах) ожидания предстоящих землетрясений. 

Выявленная упорядоченность диктует регулярность не только в системах тектонических разломов и геоблоков, но и в иерархии очагов землетрясений. Чем крупнее землетрясения, тем дальше друг от друга расположены их очаги. Так, очаги, ранжированные по интервалам 0.5 единицы магнитуды (или по соответствующим интервалам излучаемой ими упругой энергии), распределены закономерно не только во времени (закон повторяемости землетрясений), но и в пространстве ("дистанцирование сейсмических очагов", в терминологии автора). Как оказалось, и в этой иерархии в основании всех функциональных степенных зависимостей лежит всё та же "загадочная двойка".

Так, среднестатистические размеры (протяженность) очагов землетрясений, квантованных по 0.5М, и расстояния между эпицентрами ближайших пар таких очагов изменяются, примерно, в два раза с каждым шагом в половину магнитуды. Например, протяженность очагов землетрясений с магнитудой М=6.5 составляет около 25 км, с М=7.0 - около 50 км, с М=7.5 - около 100 км, с М=8.0 - 200 км  и т.д. При этом величины преимущественных межэпицентральных расстояний, обусловленные размерами соответствующих геоблоков, примерно, в 3.5 - 4 раза превышают размеры очагов, а отношения этих величин друг к другу не зависят от магнитуды, т.е. по отношению к ней являются инвариантом, отражая тем самым самоподобие (фрактальность) в иерархии размеров взаимодействующих геоблоков и очагов землетрясений. Инвариантами по отношению к магнитуде, в определенной мере, являются и соотношения длины сейсмических очагов с их вертикальной протяженностью, обусловленной толщиной соответствующих геоблоков, и т.п.

Фрактальную структуру имеют практически все природные объекты - геологические разломы (слева), ветви деревьев (справа), кровеносные сосуды и многое-многое другое. Толстые ветви делятся на несколько менее толстых, которые в свою очередь ветвятся, примерно, на такое же число еще более мелких, и так далее и тому подобное. Количественное соотношение ветвлений и определяет фрактальную размерность множества разномасштабных объектов. Наиболее распространено в природе явление бифуркации, когда на каждом следующем шаге деления (ветвления) объектов возникает их раздвоение. 

Происходит это не случайно, поскольку природе, "не мудрствуя лукаво", гораздо проще и экономичнее создавать самоподобные (фрактальные) структуры. Самоорганизующиеся фракталы развиваются согласно простейшим математическим уравнениям, составленным любителями прекрасных фракталов (см. ниже ссылку на  красоту фракталов).

ЗДЕСЬ КРАСОТА ФРАКТАЛОВ

(нажмите на средний калейдоскоп)

О ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЯХ СЕЙСМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЗЕМЛИ
В ПЕРИОД 1965–2005 гг.

// Уломов В.И. О глобальных изменениях сейсмического режима Земли в период 1965–2005 гг. // Доклады академии наук, том 414, №3. Геофизика. С. 398-401. 2007.pdf - 217 Kb).

// Уломов В.И. О глобальных изменениях сейсмического режима и уровня водной поверхности Земли // Физика Земли, №9, 2007. (pdf - 491 Kb).

На основе нового методологического подхода к изучению развития глобальных сейсмогеодинамических процессов выявлены значительные изменения сейсмического режима, заключающиеся в уменьшении в три и более раз частоты возникновения крупных землетрясений с магнитудами М = 7.0±0.2, 7.5±0.2, 8.0±0.2 и 8.5±0.2 в период 1982–1993 гг., а также в интенсивной активизации планетарной сейсмичности во всем диапазоне глубин расположения сейсмических очагов после этого относительного сейсмического затишья. Высказаны гипотезы об общей глобальной природе обнаруженных явлений.

Сейсмический режим отдельных регионов, и Земли в целом, традиционно изображаются в форме графиков повторяемости землетрясений различных магнитуд, а при изучении развития сейсмических процессов во времени обычно рассматривается общее число и суммарная энергия всех произошедших землетрясений. Такое интегральное представление о сейсмическом режиме нивелирует природные особенности его пространственно-временного развития, и тем самым затрудняет их изучение. Тем не менее, стремлению обнаружить какие-либо закономерности в развитии планетарной сейсмичности посвящено множество исследований, включая даже поиск связи сейсмичности с солнечной активностью [1, 2].

Полученные автором результаты основаны на принципиально новом методологическом подходе к изучению сейсмического режима Земли, в котором поток сейсмических событий анализируется не интегрально, а по интервалам магнитуд, отражающим природу геодинамики иерархической разломно-блоковой структуры геологической среды. Объектом исследований явились последовательности возникновения в период 1965–2005 гг. на всем земном шаре крупных землетрясений, дифференцированных по интервалам магнитуд M = 7.0±0.2, 7.5±0.2, 8.0±0.2 и 8.5±0.2, без пропусков перекрывающим широкий энергетический диапазон – от М = 6.8 по М = 8.7. В последний интервал вошли также два самых крупных землетрясения с М = 8.8.

Местоположение всех сейсмических очагов иллюстрирует рис. 1. Общее число событий в каталоге превысило 600. Интервалы шириной ±0.2 единицы М включают в себя и погрешности в определении этой величины. Шаг в 0.5 единицы М так же имеет физический смысл, поскольку в значительной мере обусловлен иерархическим строением разломно-блоковой среды [3–6]. Здесь и далее магнитуда М соответствует магнитуде Ms, определенной по поверхностным сейсмическим волнам.

Рис. 1. Эпицентры крупных землетрясений на земном шаре в период 1965–2005 гг. 1 – 4 – землетрясения с магнитудами 7.0±0.2, 7.5±0.2, 8.0±0.2 и 8.5±0.2 и с гипоцентрами не глубже h = 70 км; (1) – (4) – землетрясения таких же магнитуд и с h>70 км; 5 – границы литосферных плит. Из государственных границ показана лишь граница России (на юге Сибири виден эпицентр Горно-Алтайского землетрясения 2003 г. с М = 7.3).

Рис. 2. Кумулятивные графики накопления планетарных сейсмических событий с магнитудами 7.0±0.2, 7.5±0.2, 8.0±0.2 и 8.5±0.2, произошедших в период 1965–2005 гг. 1 – 4 – прямолинейная аппроксимация моментов возникновения землетрясений с гипоцентрами не глубже 70 км; (1) – (4) – то же для сейсмических событий с гипоцентрами глубже 70 км. Остальные пояснения в тексте

За 40-летний период времени, начиная с 1965 г., в мировых каталогах не пропущено ни одного сейсмического события во всем рассматриваемом диапазоне магнитуд и глубин расположения сейсмических очагов, а в использованном автором каталоге ANSS [7] все эти данные предельно упорядочены. Следовательно, обнаруженные и описанные ниже явления объективно отражают реальную ситуацию.

На рис. 2 приведены кумулятивные графики, характеризующие скорость накопления во времени сейсмических событий в рассматриваемых интервалах магнитуд. Вдоль оси абсцисс отложены порядковые номера N в последовательности очередных землетрясений, а по оси ординат – годы Y их возникновения. Светлыми кружками на каждом из рисунков показаны события с гипоцентрами не глубже h = 70 км (назовем их для краткости мелкофокусными), черными – с h > 70 км (т.е. глубокофокусные). Жирные отрезки аппроксимируют точечные данные о мелкофокусных землетрясениях, а тонкие – соответствуют последовательностям глубокофокусных событий. При этом линейная аппроксимация практически всюду характеризуется высоким коэффициентом корреляции (0.9 и более). Справа, из-за очень большого числа мелкофокусных землетрясений с М = 7.0±0.2, приведен лишь фрагмент такого графика. Его горизонтальный масштаб для удобства сравнения сжат примерно в 2.5 раза. Тонкая линия аппроксимирует всю совокупность этих событий за весь 40-летний период времени, а способ построения отрезков жирных линий аналогичен составлению всех остальных графиков.

Угол наклона аппроксимирующих прямых характеризует скорость накопления сейсмических событий соответствующих магнитуд. Чем положе прямая, тем выше скорость. Увеличение крутизны отражает уменьшение частоты возникновения землетрясений. Если бы землетрясения возникали ритмично, т.е. с одинаковой частотой в каждой из последовательностей, то абсолютно все моменты времени их возникновения, в том числе и в течение всего рассматриваемого 40-летнего периода, располагались бы строго на прямых линиях. В реальности же отклонения в сейсмическом режиме обусловлены нелинейным развитием геодинамических процессов, влияющим на напряженно-деформированное состояние среды. В региональных условиях это было показано нами в работах [3–6, 8], а в глобальном масштабе рассмотрено здесь впервые.

Анализ конфигурации кумулятивных графиков позволяет обнаружить интересное явление, отражающее особенности развития глобальных сейсмогеодинамических процессов во времени. Прежде всего, это относится к существенному замедлению возникновения абсолютно всех мелкофокусных землетрясений в течение, примерно, 11-летнего промежутка времени – от середины 1982 г. до середины 1993 г., ограниченного на рис. 2 горизонтальным пунктиром. Такое замедление отчетливо видно и на фрагменте графика для М = 7.0±0.2 (справа на этом рисунке).

Примечательно, что смена скорости накопления событий произошла довольно быстро, что выражается в резком изломе графиков на концах этого аномального участка. Причем как до, так и после выявленного относительного сейсмического затишья, частота возникновения мелкофокусных землетрясений не только значительно выше, но и сохраняет практически одну и ту же скорость накопления событий.

В приведенной таблице, с целью сравнения частоты возникновения землетрясений рассматриваемых магнитуд, показано число событий за равные, 11-летние, интервалы времени – до, в период и после сейсмического затишья. При этом всюду отсчет ведется от середины года, как и в аномальный период сейсмического затишья (1982.5–1993.5 гг.). Как видно, в интервале 1982.5–1993.5 гг. землетрясения с М = 7.0±0.2 и М = 7.5±0.2 возникали в 3–4 раза, а с М = 8.0±0.2 – в 10 и более раз реже по сравнению с предыдущими и последующими 11-летними интервалами. Самые крупные сейсмические события с М = 8.5±0.2 и более, вообще отсутствовавшие в двух первых интервалах, начиная с 2001 г. по 2005 г. стали происходить практически ежегодно. В их числе катастрофические землетрясения у берегов Суматры 26 декабря 2004 г. с М = 8.8 и 28 марта 2005 г. с М = 8.5, сопровождавшиеся гигантскими цунами и многочисленными жертвами. До этого момента крупнейшим на земном шаре было землетрясение с М = 8.5 на Аляске в 1964 г., после которого фактически и начался рассматриваемый нами 40-летний интервал времени.

Другим не менее важным обстоятельством является то, что глубокофокусная сейсмическая активность возникла практически сразу же после всеобщего затишья мелкофокусной сейсмичности. При этом землетрясения с магнитудой М = 7.5±0.2 и выше до этого момента вообще не наблюдались, а в заключительный интервал времени возникло сразу 12 землетрясений с М = 7.5±0.2, четыре – с М = 8.0±0.2 и одно с М = 8.8. Последнее было уникальным по величине магнитуды и случилось в Атлантическом океане на глубине около 90 км у восточных берегов Южной Америки. Землетрясения же с М = 7.0±0.2 вплоть до заключительной своей активной стадии происходили очень и очень редко. Так, если с середины 1993 г. и позже они возникали почти по 5 событий ежегодно, то в период сейсмического затишья их частота была в 2.5 раза, а то этого даже в 26.5 раза меньше.

В этой же таблице приведена средняя величина частоты возникновения мелкофокусных и глубокофокусных землетрясений в соответствующих интервалах магнитуд, практически совпадающая с аналогичными величинами, снятыми с общепринятых интегральных графиков повторяемости землетрясений земного шара. Это обстоятельство так же, как и упомянутая выше полнота анализируемого каталога землетрясений, подтверждает реалистичность полученных результатов.

Природа наблюдаемого явления планетарных изменений сейсмического режима может быть объяснена с позиций современных представлений о глобальной геодинамике литосферных плит, наиболее ярким проявлением которой как раз и является сейсмичность. Так, события с h>70 км (черные кружки на рис. 1 и 2) связаны с погружением литосферных плит в верхнюю мантию Земли в зонах субдукции, в островных дугах на периферии океанов, а также в реликтах таких зон на континентах (например, в Восточных Карпатах и на северо-западном и юго-восточном окончаниях Гималаев, см. рис. 1) [3, 5]. Мелкофокусные очаги (белые кружки) распространены, в основном, на континентах и в океанических рифтовых зонах. Вместе с тем, вне всякого сомнения, возникновение тех и других обусловлено единым сейсмогеодинамическим процессом, охватывающим всю планету в целом.

Для объяснения наблюдаемой картины глобальной сейсмогеодинамики в рассматриваемый 40-летний период времени не исключены, по меньшей мере, два следующие сценария. Так, можно полагать, что всеобщее сейсмическое затишье в этот период было обусловлено медленным (криповым) и практически асейсмичным погружением литосферы в зонах субдукции, ослабляющим общую напряженность в литосферной оболочке Земли и уменьшающим в ней число сейсмических подвижек. Вследствие временного отсутствия значительных зацепов на плоскостях скольжения не возникают крупные землетрясения и в зонах субдукции.

По другому сценарию наблюдаемое всеобщее сейсмическое затишье, наоборот, связано с накоплением геодинамических напряжений в литосфере континентов и океанов, в том числе и в результате замедления процессов погружения литосферы в зонах субдукции. После же возобновления активной субдукции наступает всеобщая разрядка литосферных напряжений и активизируется весь диапазон глубин.

Возможны и иные объяснения. Тем не менее, наблюдаемое ярко выраженное затишье и другие изменения сейсмического режима во всем диапазоне глубин расположения сейсмических очагов является неопровержимым фактом, и природа этого явления кроется в особенностях геодинамического развития планеты.
Земле, развивающейся в сильно неравновесных условиях, свойственны явления самоорганизации [9–11]. Глобальные колебательные режимы литосферы обусловлены процессами приспособления объемов геологической среды к длительным силовым воздействиям планетарного масштаба. С этих позиций чередование роста упругих напряжений с их последующей разрядкой в виде медленных деформаций и быстрого сброса напряжений в очагах землетрясений оказывается самым экономным самоорганизующимся режимом геодинамики, поскольку он складывается из последовательного повторения однотипного явления. И хотя геодинамическая система изменяет свое состояние непрерывно, Земля в целом находится в динамическом равновесии, которому и способствует наблюдаемая периодичность.

Процессы накопления и разрядки геодинамических напряжений сменяют друг друга, отражая тем самым дискретно-континуальную природу динамики земной коры и всей литосферы. Эти процессы и явления могут найти отражение и в региональной сейсмогеодинамике. Они должны учитываться и в исследованиях по долгосрочному прогнозу сильных землетрясений.

Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН «Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы» (направление 1 «Сейсмические процессы и катастрофы»), а также Российского фонда фундаментальных исследований (грант 04-05-64912).

Литература
1. Сытинский А.Д. // ДАН СССР, 1987, Т. 295, №2, с. 339.
2. Соболев Г.А., Шестопалов И.П., Харин Е.П. // Физика Земли, 1998, № 7, с. 85–90.
3. Уломов В.И. // Динамика земной коры Средней Азии и прогноз землетрясений. Ташкент: ФАН. 1974. 218 с.
4. Уломов В.И. // Физика Земли, 1993, №4, с. 43–53.
5. Уломов В.И. Глобальная упорядоченность сейсмогеодинамических структур и некоторые аспекты сейсмического районирования и долгосрочного прогноза землетрясений. // Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. Вып. 1. М.: ИФЗ РАН, 1993, с. 24-44.
6. Уломов В.И. // Вулканология и сейсмология. 1999, № 4–5, с. 6–22.
7. The Advanced National Seismic System catalog – ANSS (http://www.ncedc.org/anss/).
8. Уломов В.И., Данилова Т.П., Медведева Н.С, Полякова Т.П. // Физика Земли, 2006, № 7, с. 17 – 33.
9. Пригожин И., Стенгерс И. // Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986, 432 с.
10. Уломов В.И. Динамика сейсмического процесса, явления самоорганизации. // Сейсмичность территории Узбекистана. Ташкент: ФАН. 1990. с. 184-199.
11. Гольдин С.В. // Физическая мезомеханика, т. 5, №5, с. 5-22.
 

ПРИ КОПИРОВАНИИ ССЫЛКА НА САЙТ И АВТОРСТВО ОБЯЗАТЕЛЬНА!

ПРИ КОПИРОВАНИИ ССЫЛКА НА САЙТ И АВТОРСТВО ОБЯЗАТЕЛЬНА!