Изучение механизма генерации тектонических напряжений в земной коре внутриплитных орогенов

Study of the mechanism of generation of tectonic pressure in Earth crust of intraplate orogens

Область знания:
НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Научная дисциплина:
Современная геодинамика, моделирование геодинамических процессов

Ключевые слова:
тектонические напряжения, механизм очага землетрясения, тензор сейсмотектонической деформации, СТД, разломная зона

Аннотация:
Целью данного проекта является исследование механизма формирования тектонических напряжений во внутриплитовых участках земной коры (на примере Северного Тянь- Шаня).
Ранее проведенное участниками проекта исследование сейсмотектоничских деформаций (СТД) этой территории выявило, площадную неоднородность поля деформаций, проявившуюся в том числе в существовании нескольких режимов СТД (гор. сжатие, сдвиг, растяжение). Обнаруженная неоднородность СТД делает целесообразным применение метода катакластического анализа, недавно разработанного в ИФЗ РАН, для дальнейшей детализации данных по СТД. Этот метод позволяет довести до конкретных числовых значений исследования напряженного состояния среды, основанные на анализе фокальных механизмов и СТД для данной территоррии. В рамках проекта будут выполняться сопоставление результатов детальной реконструкции напряжений с даннми о деформациях, рассчитываемых из данных GPS геодезии по уникальной сети станций Бишкекского геодинамического полигона (БГП).
Ожидаемая информация важна для объяснения механизма генерации тектонических напряжений. Фундаментальность исследования определяется сохраняющейся дискуссионностью вопроса о том, является ли коллизия индентора- Индостана с Казахским щитом главной причиной генерации тектонических напряжений и, более широко, современного орогенеза в Центральной Азии. По замыслу участников проект направлен на подтверждение альтернативной точки зрения, придающей основное значение локальным геодинамическим факторам, определяющим внутрение источники напряжений, обусловленные неоднородностям коры и верхней мантии, на фоне которых в значительно большем масштабе по площади, но менее интенсивнно по уровню напряжений проявлется инденторное влияние Индостана.
Уточнение представлений о механизме генерации тектонических напряжений несомненно актуально и для развития сейсмологии (включая разработку новых подходов к сейсмическому районированию и микрорайнорованию).
Для успешного выполнения проекта создан необходимый задел: 
- в Научной станции РАН (НС РАН) накоплен огромный объем сейсмологических данных в виде непрерывных цифровых записей с 10 станций начиная с 1994 года, сформирован банк данных по фокальным механизмам, собраны данные GPS наблюдений;
- участниками проекта со стороны ИФЗ РАН разработаны и отлажены оригинальные алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие оценивать в абсолютных физических единицах (мегапаскалях) уровень напряжений в земной коре; 
- сложилась творческая кооперация участников проекта, представляющих ИФЗ РАН и НС РАН;
- участники имеют опыт иследований по тематике, связанной с проблемой напряженного состояния коры интраконтинентальных областей, сейсмотектоническими деформациями.

Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект:
Изучение механизма генерации тектонических напряжений в земной коре внутриплитовых орогенов

Конкретная фундаментальная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект:
Исследование механизмов формирования тектонических напряжений во внутриплитовых участках земной коры является актуальной проблемой современной геофизики, которая находит свое приложение не только для решения фундаментальных научных проблем геодинамики, но и в прикладных научных разработках, связанных с безопасной эксплуатацией месторождений полезных ископаемых и подземных хранилищ, а также для задач сейсморайонирования. 
Изучение закономерности распределения природных напряжений в глубинных горизонтах земной коры будет осуществляться на основе метода катакластического анализа разрывных нарушений, доставляющего данные не только об ориентациии осей главных напряжений, но и о величинах самих напряжений.
Предлагаемый проект будет реализован для внутриплитового орогена Тянь-Шаня, где в самое последнее время получены высокоточные геодезические данные о движениях земной поверхности и сейсмологические данные о механизмах очагов землетрясений.
Главной задачей проекта является выявление активных воздействий, ответственных за возникновение землетрясений в глубине земной коры и движений земной поверхности.

Предлагаемые методы и подходы:
Основным оригинальным инструментом исследований предлагаемого проекта является разработанные в ИФЗ РАН метод катакластического анализа сейсмологических данных о механизмах очагов землетрясений, доставляющий данные о параметрах поля современных тектонических напряжений сейсмоактивных регионов. С использованием этого метода уже получены пробные оценки уровня напряжений в земной коре Алтая, Центральной Азии, зоны Суматро-Андаманского землетрясения и др. Для Центральной Азии подобные результаты получены на основе данных о механизмах очагов около 300 землетрясений и их необходимо проверить по расширенным данным о механизмах очагов землетрясений и GPS геодезии. Методика оценки деформаций земной коры на основе данных горизонтальных перемещений, получаемых GPS геодезией - еще один инструмент анализа напряженно-деформированного состояния, который будет использоваться в рамках предлогаемого проекта. Третьим инструментом исследований напряженно-деформированного состояния в нашем проекте являются методы реконструкции палео-напряжений, основанные на анализи морфо-кинематических параметров зеркал скольжения, наблюдаемых в геологических обнажениях.
Подходящая возможность такого расширенного исследования - провести его на базе Научной станции РАН в г. Бишкеке, где имеется сейсмическая сеть ширкополосных цифровых станций KNET и плотная сеть пунктов GPS- геодезии. На территории Бишкекского геодинамического полигона установлена сейсмологическая сеть KNET из десяти автоматических телеметрических широкополосных станций STS-2. В результате эксплуатации сейсмической сети KNET (1994-2007 гг) было установлено ее пригодность для регистрации не только местной сейсмичности, но и удаленных сильных событий. Сопоставление результатов обработки удаленных сейсмических событий, зарегистрированных этой системой, с данными мировой сейсмической сети показало хорошую совместимость. В этом смысле данная сеть является уникальным инструментом для проведения сейсмологических исследований. 
В настоящее время в составе Центрально-Азиатской GPS-сети находится 518 пунктов наблюдения. При этом плотность сети весьма не однородна, наиболее детально охарактеризована Бишкекская локальная сеть. Здесь пункты расположены друг от друга примерно от 2 до 40 км, среднее расстояние составляет порядка 9 км. Вместе с тем Территория Казахстана имеет наименьшую плотность распределения пунктов наблюдений, где средний показатель расстояния между пунктами составляет около 100 км. Для всей региональной сети среднее расстояние между пунктами составляет порядка 60 км, тогда как максимальное значение примерно 550 км.
В рамках проекта будет выполняться сопоставление результатов расчета тензора приращений сейсмотектонических деформаций с результатами расчета скорости деформаций земной поверхности, получаемой по данным GPS геодезии. При подобном сравнении будет учитываться разномасштабность этих двух типов данных, выполняя осреднение параметров тензора приращений сейсмотектонических деформаций для участков триангуляции, используемым при расчете по GPS данным. Использование данных о землетрясениях с магнитудами 3-6 дает возможность получать данные напряжениях в масштабе осреднения не более 10-20 км в то время как пункты GPS как правило имеют значительно большую дистанцию между собой, что определяет и больший масштаб осреднения. В этом смысле следует особо отметить уникальности Бишкекского геодинамического полигона, плостность расстановки пунктов наблюдения которого очень высока.
Другим фактором, определяющим расхождения между результатами анализа напряженно-деформированного состояния по данным о механизмах очагов землетрясений и по данным GPS-геодезии является влияния массовых сил. Землетрясения происходят в глубине земной коры, где в наибольшей форме проявляется влияние массовых сил, в то время как данные, получаемые с поверхности не содержат подобного влияния [Ребецкий, 2008]. В настоящее время совместный анализ данных GPS-геодезии и сейсмологических данных выполняется достаточно поверхностно, исходя из априорного предположения, что они отражают один и тот же процесс. В рамках настоящего проекта будут исследоваться как различные типы внешнего и внутреннего воздействия на породы земной коры,которые проявляются в напряжениях и деформациях и насколько эти напряжения изменчевы с глубиной.
При анализе результатов расчета параметров напряженно-деформированного состояния также будут использоваться данные о строении и аномалиях плотности в земной коре и верхней мантии исследуемого региона [Сабитова, 2005, 2008]. Конечной целью проекта ставится оценка вклада в современое напряженное состояние различных механизмов нагружения (латеральный индентор [Копп, 1997], внутрикоровое и верхнемантийное течение, вызванное плотностными и вязкостными аномалиями [М.Г.Леонов, ; Артюшков, 1993], остаточные – латентные напряжения [Пономарев, 1987; Ребецкий, 2008]).

За весь период наблюдений будет выполнена:
1. Реконструкция напряжений в разных глубинных уровнях коры Тянь-Шаня по сейсмологическим данным сети KNET (масштаб осреднения напряжений 10 км).
2. Реконструкция напряжений в разных глубинных уровнях коры Тянь-Шаня по сейсмологическим данным сети Республик Кыргыстан и Казахстана (масштаб осреднения напряжений 20-30 км).
3. Реконструкция палеонапряжений по данным о совокупностях зеркал скольжения, данные о морфо-кинематических параметров которых будут собраны в ходе полевых работ.
4. Расчет скорости латеральных деформаций по данным GPS геодезии.
5. Сопоставление результатов реконструкции тензора приращений сейсмотектонических деформаций (с выравниванием масштабов осреднения) с параметрами скорости деформаций, расчитанным по данными GPS геодезии.
6. Сопоставление результатов расчетов современного напряженно-деформированного состояния коры с геологическими данными, с данными о палео-напряжениях, данными о глубинном строении коры и верхней мантии, с данными GPS геодезии.
7. Создание модели механизма нагружения коры исследуемого региона для нескольких источников воздействия, объясняющую закономерности трехмерного поля тектонических напряжений и данных GPS геодезии.
8. Оценка уровня сейсмической опасности наиболее крупных разрывов коры исследуемого региона.

Ожидаемые в конце 2009 года научные результаты:
Первый год работы над проектом предусматривает: 
1. Выполнение реконструкции поля напряжений по данным сети KNET для нескольких глубинных уровней коры с осреднением порядка 10 км. Данные этой реконструкции будут характеризовать параметры поля напряжений, являющегося средним за весь период наблюдений. Будут выделы области разного режима напряженного состояния и разной интенсивности напряжений. В соответствии с методом катакластического анализа [Ребецкий, 2007] по сейсмологическим данным о величинах снимаемых напряжений в очагах сильных землетрясений будут выполнены оценки параметров прочности массивов горных пород.
2. Расчет скорости латеральных деформаций по данным GPS геодезии.
3. Сопоставление результатов анализа напряженного состояния, в глубине коры с данными о скоростях деформаций, полученными с использованием GPS геодезии.
4. Развитие теоретических исследований по изучению изменения с глубиной параметров напряженного состояния.
5. Сбор данных о зеркалах скольжения в геологических обнажениях и их предвариетльный анализ с целью получения данных о палеонапряжениях.

По результатам расчета в ГИС ARCGIS будут строится карты полей различных параметров напряженно-деформированного состояния. Эти данные будут выставлены на ВЕБ-серверах ИФЗ РАН и НС РАН.

Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем:
С конца восьмидесятых годов прошлого столетия возобладала точка зрения, что современная геодинамика внутриплитовых орогенов Центральной и Средней Азии полностью определена действием индентера – Индийской плиты. Подтверждение этого находят в направленности горизонтальных смещений земной поверхности, получаемых по данным GPS геодезии, и в сейсмологических данных о механизмах наиболее сильных землетрясений.
Однако результаты применения современных тектонофизических методов для реконструкции природных напряжений в земной коре внутриплитовых орогенов с использованием данных о механизмах очагов землетрясений средней силы (3<М<6) показывают [Ребецкий и др., 2007], что существующее в них поле напряжений значительно сложнее, чем можно было бы ожидать от действия только латерального (субмеридионального) сжатия. Для коры внутриплитового орогена Алтае-Саян установлено, что области горизонтального сжатия, сдвига и растяжения мозаично распределены в земной коре региона. На подошве коры практически нет однонаправленного касательного напряжения, отражающего воздействия со стороны мантии, а области, где всестороннее тектоническое давление превышает или ниже литостатического давления горных пород мозаично распределены в коре исследованного региона и в среднем для всего региона близко его значение к литостатическому значению. Все это говорит о небольшом вкладе внешнего латерального воздействия (не более 10-15%) на современное поле напряжения орогена Алтая и Саян. В связи с этим отыскание новых аргументов, свидетельствующих об иных механизмах генерации тектонических напряжений, является задачей фундаментального характера. Несомненна актуальность этого вопроса для сейсмологических и инженерно-сейсмологических исследований.
В настоящее время, несмотря на общее понимание первичности данных о тектонических напряжениях для решения проблемы прогноза сильных сейсмических событий и оценки и предупреждения сейсмической опасности, очень узок спектр методов, позволяющих выполнить детальную реконструкцию параметров напряженного состояния в сейсмоактивных областях. Вполне очевидно, что весь набор методов in situ выпадает из этого спектра в силу масштабного фактора и из-за дороговизны массовых измерений напряжений, даже если их ограничить лишь зонами активных разломов. Наземные и спутниковые (GPS) геодезические методы в принципе позволяют рассчитать приращения полных деформаций (упругих и остаточных). Но отсюда еще нужно пройти очень большой путь, чтобы оценить параметры напряжений даже у поверхности (т.е. там, где эти данные получены) и тем более возможность их изменения с глубиной, во всяком случае, сейчас нет методов подобной оценки. Таким образом, остаются только методы тектонофизического анализа разрывных нарушений (сейсмологических данных о механизмах очагов землетрясений), которые можно использовать в указанных выше целях.
Практически все известные методы анализа данных о механизмах очагов землетрясений или структурно-кинематических данных о трещинах ограничиваются расчетом ориентации главных осей и коэффициента, определяющего вид тензора напряжений (методы J.Angelier, E.Galphardis, F.Gephart, О.И.Гущенко, С.Л.Юнга и др.). Возможность оценки величин напряжений заложена в одном из методов J. Angelier путем введения нескольких достаточно жестких гипотез (предположение о гидростатическом законе распределения флюидного давления по глубине, параметры прочности массивов горных пород эквивалентны параметрам прочности, полученным в экспериментах на образцах размером в первые сантиметры). В соответствии с этими гипотезами метод J. Angelier в лучшем случае можно использовать для анализа напряжений масштаба осреднения в первые метры, формирующихся в приповерхностных слоях. В методе J. Hardebeсk также существует возможность оценки величин напряжений, но этот метод в том виде, как он был сформулирован, позволяет выполнить оценку лишь средних напряжений, действовавших во всей зоне разлома (очага) перед сильным землетрясением. Таким образом, оба этих подхода непригодны для детального анализа поля напряжений, существовавшего перед сильным землетрясением.
Созданный в ИФЗ РАН метод катакластического анализа разрывных нарушений – пока единственный из методов, пригодных для детального анализа природных величин напряжений.

Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту; полученные ранее результаты, разработанные методы:
Главным заделом участников проекта является уникальная база геофизических и сейсмологических данных, созданная на Научной станции РАН. На ее основе были проведены исследования параметров механизмов очагов и сейсмотектонических деформаций (СТД). Были определены режимы СТД на территории Северного Тянь-Шаня. Обнаружена неоднородность СТД даже на сравнительно небольшой территории, что делает целесообразным применение метода катакластического анализа для дальнейшей детализации и уточнения характеристик СТД.
В качестве научного задела следует также рассматривать созданный в ИФЗ метод катакластического анализа совокупностей механизмов очагов землетрясений и накопленный участниками проекта опыт реконструкции и интерпретация тектонических напряжений сейсмоактивных регионов. Разработанный в ИФЗ РАН метод позволяет рассчитывать не только ориентацию главных осей тензора напряжений как это имеет место в широко известных методах С.Л.Юнги, Ж.Анжелье и др, но и оценивать относительные величины шаровой и девиаторной компонент тензора напряжений [Ребецкий, 2005], а в тех случаях, когда известны величины сбрасываемых напряжений в очагах сильных землетрясений, удается рассчитать и сами величины напряжений [Ребецкий, 2007]. Этот метод следует относить к экспериментальным методам геомеханики и полевой тектонофизики. Он ориентирован на изучение массивов горных пород в их естественном залегании. В рамках метода катакластического анализа реконструкция компонентов тензоров напряжений, приращений квазипластических деформаций и оценка механических свойств (включая параметры прочности) осуществляется в четыре этапа. На первом этапе используются только данные механизмах очагов землетрясений и в результате получают данные о параметрах эллипсоидов напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций, а также выделяются квазиоднородно деформированные домены земной коры,для которых создаются однородные выборки землетрясений. На втором этапе на основе анализа на редуцированной диаграммы Мора однородных выборок землетрясений определяются относительные величины напряжений. Данные о величинах напряжений определяются на двух последних этапах метода, кода в качестве дополнительных используются данные о сброшенных напряжениях в очагах сильных землеторясений и данные о величине вертикального литостатического давления в центрах квазиоднородных доменов.
Выявленные в наших предыдущих исследованиях [Ребецкий, 2007] закономерности изменения поля напряжений в сейсмоактивных регионах, относящимся как границам литосферных плит, так и к внутриплитовым орогенам, также являются базисом наших исследований. В рамках предлагаемого проекта результаты реконструкции напряжений для земной коры Алтая и Саян [Ребецкий, Кучай, Маринин, 2007, 2008] основной задела участников проекта.

Список основных публикаций коллектива, наиболее близко относящихся к предлагаемому проекту:
1. Сычева Н.А., Юнга С.Л., Богомолов Л.М., Мухамадиева В.А. Сейсмотектонические деформации земной коры Северного Тянь-Шаня (по данным определений механизмов очагов землетрясений на базе цифровой сейсмической сети KNET) // Физика Земли. 2005. №11. С.62-78
2. Журавлев В.И., Лукк А.А., Мирзоев К.М., Сычева Н.А., Богомолов Л.М. Суточная периодичность слабых землетрясений Средней Азии // Физика Земли.2006. №11. С.29-43.
3 Сычева Н.А., Юнга С.Л., Богомолов Л.М, Макаров В.И. Сейсмотектонические деформации и новейшая тектоника Тянь-Шаня // Физика Земли. 2008. №5. С.3-15.1. 
4. Ребецкий. Ю.Л. Оценка относительных величин напряжений – второй этап реконструкции по данным о разрывных смещений // Геофизический журнал. 2005. Т. 27. № 1. Киев. С. 39-54.
5. Ребецкий Ю.Л., Маринин А.В. Поле тектонических напряжений до Суматра-Андаманского землетрясения 26.12.2004. Модель метастабильного состояния горных пород // Геология геофизика. 2006. Т 47. № 11. Новосибирск. Гео. С. 1192-1206.
6. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и области триггерного механизма возникновения землетрясений // Физическая мезомеханика. 2007. Т 10. № 1. С. 25-37.
7. Ребецкий Ю.Л. Механизм генерации тектонических напряжений в областях больших вертикальных перемещений // Физическая мезомеханика. 2008. Т 11. № 1. С. 66-73.
8. Сим Л.А., Брянцева Г.В., Чекмарев К.В. Новейшая тектоника и неотектонические напряжения севера Западно-Сибирской плиты и Полярного Урала // Бюлл. МОИП. 2007. отд.геол. Т 82,  вып. 6.
9. Хубаева О.Р., Брянцева Г.В., Сим Л.А. Новейшие деформации и гидротермальные поля северной части о-ва Парамушир // Вестник МГУ. сер.4. Геология. 2007. .№4. С. 20-23.
10. Сим Л.А., Юрченко О.С., Сироткина О.Н. Тектонические напряжения северных частей Урала // Геоф. Журн. Т.27, №1. 2005. Киев. Ин-т геофизики. С.110-120.

Список основных публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах за последние 3 года:
1. Сычева Н.А., Юнга С.Л., Богомолов Л.М., Мухамадиева В.А. Сейсмотектонические деформации земной коры Северного Тянь-Шаня (по данным определений механизмов очагов землетрясений на базе цифровой сейсмической сети KNET). //Физика Земли. 2005. №11. С.62-78
2. Сычева Н.А., Юнга С.Л., Богомолов Л.М, Макаров В.И. Сейсмотектонические деформации и новейшая тектоника Тянь-Шаня//.// Физика Земли. 2008. №5. С.3-15.
3. Журавлев В.И., Лукк А.А., Мирзоев К.М., Сычева Н.А., Богомолов Л.М. Суточная периодичность слабых землетрясений Средней Азии.// Физика Земли.2006. №11. С.29-43.
4. Закупин А.С., Аладьев А.В., Богомолов Л.М., Боровский Б.В., Ильичев П.В., Сычев, В.Н., Сычева Н.А. Взаимосвязь электрической поляризации и акустической эмиссии образцов геоматериалов в условиях одноосного сжатия.// Вулканология и сейсмология. 2006. №6. С.1-12

Перечень оборудования и материалов, имеющихся у коллектива для выполнения проекта:
1.Сеть из 10 сейсмических станций KNET, работающая в режиме реального времени (НС РАН)
2. Вычислительный центр для обработки сейсмических данных KNET (сервера Sun Fire V240). НС РАН
3. Программное обеспечение для сбора и первичной обработки данных в режиме реального времени (НС РАН), а также собственные методические и программные разработки (ИФЗ). 
4. База сейсмических данных.

Сроки проведения в 2009 г. экспедиции по тематике проекта, если это необходимо:
июль, 2009 - август, 2009