Сотри случайные черты, и ты увидишь - мир прекрасен.

// Александр Блок

НЕ ХАОС, А ПОРЯДОК

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, 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. Происходит это не случайно, поскольку природе, "не мудрствуя лукаво", гораздо проще и экономичнее создавать самоподобные (фрактальные) структуры. Модели самоорганизующихся фракталов, изображенные в верхней и нижней частях этой страницы, развиваются согласно простейшим математическим уравнениям, составленным любителями прекрасных фракталов.

Фракталоподобную структуру имеют и трещины, образующиеся со временем в асфальте на обочине дорог и тротуаров (вверху). Это наглядная модель геологического разломообразования, описанного выше. Утонение асфальтового покрытия по мере приближения к бордюру соответствует уменьшению толщине геологических слоев. Следовательно, и растрескивание мельче. И, наоборот, с увеличением толщины асфальта увеличиваются и размеры образующихся блоков, и протяженность трещин. Идеализированная геометрическая модель таких трещин приведена ниже. 

Упорядоченность сейсмического режима.

Упорядочена и повторяемость землетрясений разных магнитуд во времени. Чем выше магнитуда землетрясений, тем реже они возникают. С уменьшением магнитуды число сейсмических событий быстро возрастает в геометрической прогрессии (см. приведенную здесь "пирамиду"). Частота возникновения (сейсмическая активность) землетрясений разных магнитуд определяет сейсмический режим, который в свою очередь обусловлен структурой сейсмоактивных регионов и особенностями пространственно-временного и энергетического развития глубинных сейсмогеодинамических процессов в их пределах. Относительно кратковременные изменения сейсмического режима в ограниченных областях проявляются в виде сейсмических затиший, возникающих незадолго до крупных землетрясений (форшоковая активность), а также вслед за ними (афтершоки). Обнаруживаются волнообразные региональные и глобальные флуктуации, обусловленные планетарной сейсмогеодинамикой.  

Решеточная модель сейсмогенеза.

Поскольку все сейсмогеодинамические процессы развиваются в природе самоподобно на каждом из иерархических масштабных уровней, СГД-процессам свойственна та же фрактальная размерность, что и самой слоисто-блоковой геологической среде.

Взаимосвязь во фрактальной упорядоченности разломов, геоблоков и сейсмических очагов, а также в синергетическом развитии СГД-процессов, была положена в основу предложенной автором в 1987 г. фрактальной решеточной модели (РМ) сейсмогенеза. Эта модель позволила по-новому подойти к идентификации и сейсмологической параметризации зон возникновения очагов землетрясений (зон ВОЗ) при разработке новой методологии и решении других задач сейсмического районирования, в том числе и при создании карт ОСР-97 - Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации и всей Северной Евразии.

На этом рисунке представлена фрактальная решеточная модель сейсмогеодинамики (слева сверху), отражающая упорядоченное пространственно-временное и энергетическое развитие сейсмических процессов, обусловленное фрактальным разломно-блоковым строением и динамикой геологической среды (слева внизу), в узлах пересечения разломов которой возникают очаги землетрясений соответствующих рангов - магнитуд М. Справа вверху - иллюстрация системного подхода к сейсмогенезу.

Одна из наиболее вероятная модель ветвления разломов в земной коре и всей литосфере по мере удвоения толщины слоев. Она напоминает картину трещинообразования в асфальте на обочине тротуаров и дорог (см. выше).

Как показали наши исследования, фрактальная структура литосферы обусловливает её особую реакцию на деформационные воздействия. Так, если эти воздействия слабые, то сейсмический режим в регионе почти стационарен и характеризуется хаотическим возникновением слабых землетрясений. При увеличении вынуждающих сил СГД-система переходит в качественно новое и более организованное состояние. На макроскопическом уровне возникает самоорганизация, обусловленная кооперативным взаимодействием иерархии геоблоков, очагов землетрясений и деформационных процессов. В результате формируются деформационные волны - геоны, имеющие солитонную природу и распространяющиеся в межблочных швах фрактально построенной литосферы. Эти волны играют существенную роль в направленности энерго-пространственно-временного развития сейсмогеодинамических процессов и вносят яркий эффект организации в стохастический поток сейсмических событий.

Иерархическая СГД-система, как и другие открытые системы, обладает высоким уровнем сложности и большим количеством фрактально построенных элементов и подсистем, которые можно представить в виде следующих взаимодействующих элементов, создающих эти подсистемы и систему в целом (см. приведенный выше рисунок):

      1 - пересекающиеся активные разломы, создающие генерацию (подсистему) подвижных швов и потенциально сейсмоопасных дизъюнктивных узлов;

      2 - геоблоки, образованные решеткой разломов, аккумулирующие и импульсивно излучающие упругую энергию, поступающую извне в открытую диссипативную СГД-систему;

     3 - геоны (уединенные волны деформирования), медленно перемещающиеся вдоль разломов и подвижных швов, создающие в дизъюнктивных узлах барьеры (зацепы) и срезающие их;

     4 - очаги землетрясений, возникающие в результате срезов зацепов и вспарывания соответствующего участка разлома, временно прекратившего в связи с зацепом тектоническое перемещение на этом участке;

   5 - сейсмические волны, излучаемые очагом в результате сброса в нем упругих напряжений и характеризующие его размеры, магнитуду землетрясения, а в итоге - и сейсмическую опасность;

     6 - волны разгрузки, возникающие после подвижки пород в очаге в результате его деформирования, медленно расходящиеся из очага, влияющие на флуктуации напряженно-деформированного состояния окружающей среды и формирование геонов;

     7 - остаточные деформации в очаговой области, возникающие в результате подвижки в очаге и преобразующие дизъюнктивный узел, изменяя ситуацию для будущего зацепа и очередного землетрясения.

Развитие системного подхода к изучению сейсмогеодинамических процессов, несомненно, позволит в дальнейшем обнаружить и другие неизвестные сегодня качества и фундаментальные стороны сейсмических явлений.

Литература.

В.И.Уломов. О соотношении размеров очагов и областей подготовки землетрясений // ДАН УзССР. 1987. №9. С. 39-40.

В.И.Уломов. Решеточная модель очаговой сейсмичности и прогноз сейсмической опасности // Узбекский геологический журнал. 1987. № 6. С. 20-25.

В.И.Уломов. Способ долгосрочного прогноза землетрясений. Авт. Свидетельство об изобретении №1628026 A1. класс 01 VI/00 с приоритетом от 22.12.1989.

В.И.Уломов. Синоптический долгосрочный прогноз сейсмической обстановки // ДАН УзССР. 1987. № 6. С. 47-48.

В.И.Уломов. Волны сейсмогеодинамической активизации и долгосрочный прогноз землетрясений // Физика Земли. 1993. № 4. С. 43-53.

В.И.Уломов. Глобальная упорядоченность сейсмогеодинамических структур и некоторые аспекты сейсмического районирования и долгосрочного прогноза землетрясений // Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. Выпуск 1. М.: ИФЗ РАН. 1993. С. 24-44.

В.И.Уломов. Фрактальная структура литосферы сейсмоактивных регионов и решеточная модель сейсмогеодинамики // Первый международный семинар "Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)". 19-23 сентября 1994г. М: ИГиРГИ. С. 192-193.

В.И.Уломов. Сейсмогеодинамика и сейсмическое районирование Северной Евразии // Вулканология и сейсмология. 1999. № 4-5. С. 6-22.

V.Ulomov. Structural and dynamical regularity of Eurasia intracontinental seismicity and some aspects of seismic hazard prediction // XXIY General ESC Assembly. 1994 September 19-24. Proceedings and Active Report 1992-1994. Vol. 1. Athens. Greece. Р. 271-281.