Трещинообразование в литосфере Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трещинообразование в литосфере Земли

Празина Е.А.

Андреева Н.В.

Белгородский Государственный Технологический университет им. В.Г. Шухова

Сейсмичность и вулканизм Земли, а так же способы их реализации, - тектонические землетрясения и вулканы, предназначенные для “сброса” накопившейся в Земле тектонической энергии, - являются общепланетарной особенностью. В основе этих грандиозных диссипативных процессов лежат два различных элементарных акта: образование трещины и возникновение расплава. И тот, и другой, являются реакцией среды на внешнюю нагрузку. Первый ведет к сейсмичности, второй - к вулканизму. Основная причина возникновения подобных явлений на Земле состоит в реализации принципа минимизации её потенциальной гравитационной энергии. Еще Ньютон заметил, что форма Земли соответствует расплавленному состоянию ее недр. По-видимому, присутствие на Земле вулканических процессов определяет это соответствие. литосфера сейсмичность вулкан тектонический

Рассмотрим теорию самоорганизации ансамбля раскрывающихся трещин. Идея самоорганизации ансамбля трещин, излучающих звуковой импульс при их раскрытии, была высказана автором (Кузнецов, 1992, Кузнецов, 2001), где изложена только феноменология явления. Суть нашей модели состоит в постулировании возможного механизма когерентного взаимодействия трещин друг с другом путем обмена излучаемых ими акустических волн. Как известно, при раскрытии трещины излучается звуковой импульс акустической эмиссии (АЭ). Этот импульс “несет” определенную долю энергии и, дифрагируя на микротрещине, передает ей энергию, “помогая” раскрыться. Трещина начинает расти и излучает при этом “свой” импульс, который взаимодействует со следующей трещиной и т.д. При этом может наблюдаться эффект лавинного образования трещин, звуковые импульсы которых когерентно складываются, обеспечивая при этом явление усиления звуковой волны (Ishido, Nishizawa, 1984) и возникновение фрактальных структур.

Изложим современные представления о строении и структуре литосферы до границы Мохо [6]. Среда, в отличие от лабораторных монолитных образцов, постоянно находится под действием литостатического давления. При коэффициенте Пуассона 0.25-0.3 уже на глубине 5-6 км дифференциальное напряжение будет достигать 1 кбар (100 МПа), а сдвиговые напряжения будут около 0.5 кбар. Под действием собственного веса пород развиваются сдвиговые напряжения порядка их предела упругости. В присутствии флюида развивается и постоянно поддерживается трещиноватость среды на локальном уровне. Более высокий уровень напряжений, например, за счет действия внешних источников, уже невозможен, т.е., среда находится в предельном по энергонасыщенности (по упругой энергии) состоянии. Сейсмический мониторинг, бурение на сверхглубоких скважинах и анализ реологических свойств материалов подтверждают микротрещиноватость среды, как в сейсмоактивных, так и асейсмичных регионах [6,7]. Поэтому можно говорить о парадоксе (в рамках лабораторных представлений) подготовки за счет действия только тектонических сил крупномасштабных "разрывов" или сдвигов, вызывающих сильнейшие землетрясения. Для этих процессов отсутствует прямая связь между механическими напряжениями и деформацией. Далее не будем использовать термин землетрясение, т.е. трясение Земли. Этот термин отражает вторичный эффект, а первичным является сейсмическое явление - акт, природу которого и необходимо обсуждать.

Наиболее опасными являются сейсмические события, реализующиеся в литосфере на глубинах до 30 км. Это выше границы Мохо. Особенности сейсмического процесса необходимо рассматривать в двух основных типах структур: разломно-блоковой структуре платформ и структуре зоны субдукции, т.е., зоны, где океаническая кора "уходит" под материковую (Камчатка, Курильские острова, Япония, Индонезия, Чили и др.). Особенностью разломно-блоковых структур платформ являются долговременные и непрерывные движения блоков относительно друг друга. Представьте материал, в котором отдельные зерна имеют свободу движений и при этом сохраняется его целостность. Это и есть литосфера.

Вследствие постоянного движения блоков на граничных структурах поддерживается высокий уровень касательных напряжений [8-11]. Блоки в свою очередь не представляются цельными образованиями и состоят из отдельных элементов размерами до 1000м. В каждый геологический период существуют консолидированные блоки, перемещающиеся как единое целое. Однако блоки не остаются неизменными. Идет непрерывный процесс дробления и консолидации блоков, контролируемый не внешними и отдаленно приложенными силами, а эндогенной активизацией. Здесь учитывается то, что корни блоков и, соответственно, граничных структур, в том числе разломов, уходят глубоко в верхнюю мантию. Существенно то, что крупномасштабные сейсмические явления происходят в межблоковых структурах и там же повторяются. Это означает, что подготовка сильных сейсмических явлений обусловлена процессами взаимодействия блоков или их составляющих [1,3], а не прогрессирующим трещинообразованием, как это происходит на образцах [2].

Эти процессы снимают малую часть упругой энергии 103 -104Дж/м3 , существенно меньшую фонового уровня упругой энергии 105 -107Дж/м3 и обусловленного литостатической нагрузкой [1,6]. Отсюда следует весьма важный вывод: в литосфере не существует проблемы накопления предельных упругих напряжений в больших объемах, на чем настаивает механика и физика разрушения континуальных сред [2].

Разломно-блоковая структура платформ. В долгосрочном плане и так хорошо известны сейсмоопасные зоны, необходим же краткосрочный прогноз эпицентральных зон сильнейших сейсмических событий. Представьте территорию Китая, Монголии, Афганистана, Ирана, Ирака, Средней Азии, Кавказа, Турции. Сейсмо- геологогеофизические данные показывают, что мы имеем на этой территории пространственно-связанную систему блоков. Максимальные размеры блоков это первые сотни километров. Закономерности проявления сильнейших событий на евроазиатской платформе отсутствуют. Где и как можно искать возможные граничные структуры, на которых реализуется в краткосрочном периоде сильнейшие события, если мы имеем локальные методы мониторинга? Зачем воздействовать на граничные структуры, чтобы изменять их пластичность [4], если эти структуры уже текстурированы и аморфизированы. Воздействие на блоковые структуры не имеет смысла. Кроме этого. Непрерывная слабая и средняя сейсмичность не снимают действующие напряжения. Физика процессов принципиально иная. Поэтому необходимы исследования по краткосрочной диагностике возможных эпицентральных зон сильнейших событий на евроазиатской платформе, осуществляя пространственный мониторинг всей зоны как международного полигона. Необходимы разработки новых методов мониторинга, включая спутниковые. При этом нужно быть готовым к тому, что прогноз краткосрочного периода проявления одиночных сильнейших сейсмических явлений на платформах может быть вообще недостижим надежно [3,12,13]. С пропусками сильнейших сейсмических событий на евроазиатской платформе и жертвами пока придется смириться. Однако отдельно необходимо исследовать возможности защиты от сейсмических воздействий на платформах важнейшие инфраструктурные проекты, такие как АЭС и гидростанции. Здесь постановка задачи будет другой. Зоны субдукции. Особенно опасны районы Камчатки, островов Японии, Тайваня, Индонезии, Филиппин, Чили. Внешнее воздействие на зоны субдукции невозможно в принципе. В зоне субдукции за счет водородной дегазации наблюдается самоподдерживающийся режим вариации объема элементов среды, формирующих волны деформации. Внутри такой зоны нет четких границ и мы не контролируем, например, с материковой части Камчатки или островных частей Японии, взаимодействия внутри зоны субдукуции и с внешней средой. Это означает, что контролировать состояние среды зоны субдукции можно по параметрам, отражающим колебательный режим процесса. Такими параметрами являются структурно-чувствительные скорости сейсмических волн и энергетические параметры сейсмических событий. Анализ колебательного режима состояния среды зоны субдукции позволяет надежно диагностировать фоновый режим сейсмического процесса, это более 90% времени [14].

Список литературы

1. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс (М.: Наука, 1987)

2. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений (М.: Наука, 1993)

3. Гуфельд И.Л. и др. Геодинамика и тектонофизика 2 378 (2011)

4. Бучаченко А.Л. УФН 184 101(2014) [Buchachenko A.L. Phys. Usp. 57 (1)(2014)]

5. Geller R.J. Nature 352 275 (1991)

6. Николаевский В.Н. в кн. Райс Дж. Механика очага землетрясения (М.: Мир. 1982)С.133

7. Кольская сверхглубокая (гл. ред. Козловский Е.А.) (М.: Недра, 1984)

8. Гзовский М.В. Основы тектонофизики (М.: Наука, 1975)

9. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения (М.: ИФЗ РАН, 1991)

10. Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде (М.: Наука, 1991)

11. Ребецкий Ю.Л. в сб. Флюиды и геодинамика (ред. Леонов Ю.Г., Киссин И.Г.,

Русинов В.Л.) (М.: Наука, 2006) С.120

12. Короновский Н.В., Наймарк А.А. Вестник МГУ, сер. Геология, 6 (2012)

13. Гуфельд И.Л. Вестник РАН 83 236 (2013)

14. Гуфельд И.Л., Новоселов О.Н. Сейсмический процесс в зоне субдукции. Мониторинг фонового режима (Москва: ФГБУ ВПО МГУЛ, 2014)

Размещено на Allbest.ru