birmaga.ru
добавить свой файл

1
НЕУСТОЙЧИВОЕ СКОЛЬЖЕНИЕ В РАЗЛОМАХ ЗЕМНОЙ КОРЫ КАК АВТОВОЛНОВОЙ ПРОЦЕСС

В.Г. Быков

Институт тектоники и геофизики им. Ю.А.Косыгина ДВО РАН, г.Хабаровск, Россия.

E-mail: bykov@itig.as.khb.ru
Моделирование деформационных процессов в разломах земной коры на основе автоволновой концепции требует убедительного обоснования возможности представления разломов в виде автоволновой системы. Автоволновая система должна быть активной, нелинейной и неустойчивой.

1. Активность системы предполагает обмен энергией и веществом с окружающей средой и наличие механизма перекачки запасенной в системе энергии в энергию волн. Разломы, как термодинамически открытые системы, обмениваются с вмещающими горными массивами потоками энергии и флюидов. Разломные зоны непрерывно подвергаются внешним и внутренним воздействиям полей тектонических и гравитационных напряжений, динамических нагрузок в результате земных приливов, неравномерного вращения Земли, волн от землетрясений и т.д. В разломных зонах постоянно перемещаются флюиды, оказывающие непосредственное влияние на динамику разломов и обеспечивающие осциллирующие режимы физико-химических процессов в земной коре и литосфере. Химическая деградация трещиновато-пористых сцементированных геоматериалов тела разлома управляется энергомассопереносом за счет разложения внутрипорового флюида, молекулярной диффузией в пористой матрице, диффузией и адвекцией в трещинах и каналах разломов.

Вследствие этого в разломах возможно возникновение волновых процессов, параметры которых определяются собственными свойствами системы. Все разломы объединены переносом волновых процессов, которые проходят через возбудимую геологическую среду. Перенос происходит посредством «подкачки» энергии извне в элемент среды – разлом. Энергия, подпитывающая волновой процесс, должна иметь тектоническую природу [3].

2. Нелинейность, в общем понимании, означает, что реакция среды на сумму воздействий не равна сумме реакций на отдельные воздействия, или когда малые воздействия вызывают аномально большой отклик среды. Нелинейность системы особенно чувствительна к воздействиям, согласованным с ее внутренними параметрами или свойствами (резонансное возбуждение). В геологических разломных средах идут процессы, вследствие которых накапливается запас энергии, высвобождающейся при возбуждении среды. В таких случаях сам эффект – результат возбуждения среды  зачастую значительно (по энергии) превосходит первоначальное инициирующее воздействие. Яркие проявления активности и сильной нелинейности геологической среды были зафиксированы при промышленных и подземных ядерных взрывах, при зондировании земной коры мощными электрическими импульсами [1,4,6,7]. Взрывы и электромагнитные импульсы инициировали выделение энергии, уже накопленной средой в ходе тектонических движений. Процессы возбуждения землетрясений, очаги которых «привязаны» к разломам, крайне малыми по величине воздействиями, позволяют считать эти разломы активными и существенно нелинейными системами.


3. Самопроизвольное, не связанное с действием внешних геофизических организующих полей регулярное поведение в разломной зоне возможно в результате развития в ней определенного вида неустойчивостей. Взаимодействие и коллективное влияние всех факторов, обусловленных «открытостью» разломов  сквозным переносом энергии и вещества, приводит к ослаблению или упрочнению разломов, т.е к неустойчивости внутренних механических параметров. Многочисленные эмпирические данные, и в частности, наведенная сейсмичность, указывают на локальную пространственно-временную неустойчивость деформационных процессов в зонах разломов земной коры.

Таким образом, разломные зоны земной коры являются активными, нелинейными и неустойчивыми средами. Поэтому из общих физических закономерностей нелинейных процессов следует, что генерация автоволн в разломах неизбежна. Необходим поиск признаков деформационных автоволн в сейсмоактивных разломах.

Генерация деформационных автоволн может быть вызвана относительным перемещением или переупаковкой смежных блоков, локализованных в пределах разломных зон. Нелинейная модель неустойчивого скольжения (stick-slip) [2] в разломах земной коры учитывает все ведущие факторы этого процесса и включает режимы, необходимые для генерирования деформационных волн. Динамика разлома также, как и в экспериментах stick-slip [5], определяется внутренними параметрами системы (шероховатостью бортов и трением) и фактически не зависит от начальных условий. Генерируемая деформационная волна движется с почти постоянной скоростью, которая также определяется параметрами модели разлома.

Неустойчивое скольжение в системе блоков обладает всеми признаками автоколебаний: колебания являются внутренним свойством системы; ритм движения контролируется самой системой, а не источником энергии; внешнее воздействие – постоянная касательная нагрузка – не является колебательным.

В экспериментах замечено [5], что перед динамической подвижкой – завершающей стадией цикла stick-slip – возникают (как и в модели активизации разлома [2]) волны напряжений, распространяющиеся вдоль контакта блоков. Эта особенность в достаточной степени универсальна, т.к. установлена в экспериментах, выполненных на образцах различных горных пород [5]. Выявленные закономерности допускают предположение об автоволновом характере деформационного процесса, развивающегося в системе блоков (теле разлома) при монотонном внешнем воздействии на нее.


Отсюда следует аналогия между stick-slip, моделью активизации разломов и автоволновыми процессами, а также возможность рассматривать активные разломы как автоволновую систему, а автоволновой механизм, который может привести к циклическим повторениям сейсмических подвижек в разломе, – как один из возможных механизмов миграции тектонических напряжений в Земле.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ 04-05-97001).

Список литературы





  1. Адушкин В.В., Спивак А.А., Дубиня М.Г. Сейсмические явления, наведенные подземным ядерным взрывом // Наведенная сейсмичность. М.: ОИФЗ РАН, 1994. С.199-206.

  2. Быков В.Г. Волны активизации разломов земной коры // Тихоокеан. геология. 2000. Т.19. № 1. С.104-108.

  3. Маламуд А.С., Николаевский В.Н. Циклы землетрясений и тектонические волны. Душанбе: Дониш, 1989. 140 с

  4. Николаев А.В., Верещагина Г.М. Об инициировании землетрясений подземными ядерными взрывами // Докл. АН СССР. 1991. Т.319. № 2. С.333-336.

  5. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 392 с.

  6. Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В. Влияние ядерных взрывов на сейсмический режим // Докл. АН. 1995. Т.343. № 4. С.543-546.

  7. Тарасов Н.Т. Изменение сейсмичности коры при электрическом воздействии // Докл. АН. 1997. Т.353. № 4. С.542-545.