close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

СЕЙСМИЧНОСТЬ И НАПРЯЖЕННО–ДЕФОРМИРОВАННОЕ

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ДЭМБЭРЭЛ СОДНОМСАМБУУ
СЕЙСМИЧНОСТЬ И НАПРЯЖЕННО–ДЕФОРМИРОВАННОЕ
СОСТОЯНИЕ ЛИТОСФЕРЫ МОНГОЛИИ
25.00.10 – геофизика, геофизические методы
поисков полезных ископаемых
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора геолого-минералогических наук
Улаанбаатар-2017
2
Работа выполнена в Институте Астрономии и Геофизики Академии наук
Монголии (г. Улаанбаатар, Монголия)
Научный консультант:
Ключевский Анатолий Васильевич – доктор геолого-минералогических
наук, главный научный сотрудник лаборатории инженерной сейсмологии и
сейсмогеологии ФГБУН Института земной коры СО РАН (г. Иркутск).
Официальные оппоненты:
Трофименко Сергей Владимирович – доктор геолого-минералогических
наук, ведущий научный сотрудник Института тектоники и геофизики им. Ю.А.
Косыгина ДВО РАН (г. Хабаровск)
Новиков Игорь Станиславович – доктор геолого-минералогических наук,
ведущий научный сотрудник Института геологии и минералогии им. В.С.
Соболева СО РАН (г. Новосибирск)
Иванов Федор Илларионович – доктор физико-математических наук,
профессор кафедры налогов и таможенного дела Байкальского государственного
университета (г. Иркутск).
Ведущая организация:
ФГБУН «Геологический институт СО РАН» (г. Улан-Удэ).
Защита состоится 19 апреля. 2017 г. в 14 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.073.01 при ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский
технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83,
ИРНИТУ, ауд. Е-301.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Иркутский
государственный
технический
университет»
и
на
сайте
http://www.istu.edu/structure/54/5042/?dis_id=26754
Отзывы на диссертацию и автореферат должны представляться в
диссертационный совет не позднее, чем за 15 дней до защиты диссертации. В
отзыве указываются фамилия, имя, отчество лица, предоставившего отзыв,
почтовый адрес, телефон, адрес электронной почты, наименование организации и
должность в этой организации. Отзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью
учреждения, просим направлять ученому секретарю совета Галине Дмитриевне
Мальцевой по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИРНИТУ, диссовет
Д 212.073.01 (тел. 89149323049, е-mail: dis@istu.edu)
Автореферат разослан «____» _____________ 2017 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, канд. геол.-минерал. наук
Г.Д Мальцева
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Объектом исследования настоящей работы является сейсмичность и
напряженно-деформированное состояние (НДС) литосферы Монголии и
сопредельных территорий Центральной Азии, а также выявление их связи с
геологическими структурами и геофизическими процессами. Территория
исследований охватывает Монголию и включает частично на севере Байкальский
регион и Алтае-Саянскую область России, на юго-востоке и западе Внутреннюю
Монголию и Синьцзянь–Уйгурский автономный район Китая.
Актуальность исследований. В глубинах нашей планеты происходят
геолого-геофизические процессы, приводящие к деформированию литосферы и
формированию сейсмичности и, иногда, к катастрофическим землетрясениям.
Измеряя на поверхности геофизические поля и выделяя особенности их
проявления в пространстве и времени, можно с применением математического
аппарата установить фундаментальные закономерности строения и современной
геодинамики литосферы, обнаружить основные энергетические источники
деформирования горных пород и генерации землетрясений, смоделировать
развитие
сейсмического
процесса
с
реализацией
катастрофического
землетрясения и оценить его разрушительные последствия на различных
территориях и грунтах. Для исследуемого района в силу ряда причин эти
проблемы пока далеки от окончательного решения. Необходимо решение
комплекса задач, определяемых в фундаментальном плане структурой НДС
среды, современными геодинамическими процессами, сейсмогеодинамикой и
сейсмичностью на различных иерархических уровнях литосферы региона, а в
прикладном аспекте – проведением сейсмического районирования разной
детальности территорий промышленно-гражданского освоения и крупных
городов Монголии. От решения этих задач зависит безопасность проживания
большого количества людей, особенно в г. Улаанбаатар, где в настоящее время
сконцентрировано свыше 40% населения Монголии, а в окрестностях города
установлены сейсмические активизации [Ferry et al., 2010] и выделены
сейсмоактивные разломы [Дэмбэрэл и др., 2010].
Цель исследования – оценка структуры и особенностей НДС, выделение
главных закономерностей сейсмогеодинамики и распределения землетрясений на
трех иерархических уровнях литосферы Монголии с акцентом на проявлениях
сейсмичности, почвенного радона и GPS-скоростей в окрестностях г.
Улаанбаатар.
Научные задачи исследований, поставленные и выполненные для
достижения цели работы:
– модернизация старых, разработка и развитие новых методов измерений,
обработки и анализа сейсмичности, определения и интерпретации НДС
литосферы по данным очаговой и структурной сейсмологии;
– определение параметров очагов землетрясений в широком диапазоне
энергетических классов, развитие и адаптация методов статистической обработки
результатов для интерпретации НДС с целью выявления структуры и основных
4
закономерностей эволюции сейсмичности на трех иерархических уровнях
литосферы Монголии;
– установление главных закономерностей и выделение трендов пространственновременных вариаций НДС и сейсмичности на трех иерархических уровнях
литосферы для уточнения сейсмической опасности территорий;
– определение параметров очагов палеоземлетрясений и слабой сейсмичности,
измерение содержания почвенного радона и GPS-скоростей для уточнения
сейсмической опасности в г. Улаанбаатар и его окрестностях.
Фактический материал и методы исследований. Основой работы
являются данные 40667 землетрясений, произошедших в Монголии и на
сопредельных территориях Центральной Азии (=42–53 с.ш., =87–120 в.д.)
за 1964–2015 гг. Для землетрясений, зарегистрированных в период 1970–2000 гг.
сейсмографами с гальванометрической записью, определены динамические
параметры очагов в широком диапазоне энергетических классов (6KР14).
Представительность выборки динамических параметров толчков достигает 80%,
что характеризует оценки НДС литосферы статистически достоверными на этом
уровне значимости. Параметры землетрясений северной Монголии определены по
совместным материалам сети сейсмических станций Монголии, Байкальского и
Алтае-Саянского филиалов ГС СО РАН. В обработку и анализ привлечены
материалы режимных и полевых сейсмологических, сейсмогеологических и
геофизических наблюдений (особенно обширные для г. Улаанбаатар и его
окрестностей), с целью получения которых соискатель организовал временные
экспедиции и стационары, участвовал в обработке и интерпретации материалов,
подготовке публикаций и представлении результатов на международных и
региональных конференциях и симпозиумах.
В рамках разрабатываемой проблемы, полученных фактических материалов
и сделанных допущений примененные методы статистической обработки и
способы интерпретации результатов измерения геофизических полей были
ориентированы на создание целостного представления о структуре, основных
характеристиках и эволюции НДС и сейсмичности в литосфере Монголии. Для
достижения этого применен широкий спектр подходов при проведении геологогеофизического мониторинга, разработке метода формализованного определения
параметров сейсмических источников, определении параметров очагов
палеоземлетрясений, измерении содержания почвенного радона и выполнении
GPS-наблюдений. При выявлении пространственно-временной и энергетической
структуры сейсмичности и НДС на трех иерархических уровнях литосферы
Монголии использованы статистические методы обработки материалов геологогеофизического мониторинга. Применение методов статистической обработки в
различных диапазонах энергетических классов землетрясений за выбранные
интервалы времени были ориентированы на изучение деталей эволюции НДС и
сейсмичности с целью уточнения модели современной геодинамики и
сейсмогеодинамики литосферы Монголии. Картирование геолого-геофизических
структур и параметризация геодинамических явлений, воздействие которых
нашло отражение в вариациях в сейсмичности и сейсмических источников, в
5
результатах измерения содержания почвенного радона и GPS-скоростей для
решения задач сейсмической безопасности территорий. Используемый
фактический материал, примененные подходы и методы дают возможность
комплексного изучения современной геодинамики, сейсмогеодинамики, НДС и
сейсмичности с целью установления фундаментальных закономерностей
эволюции литосферы Монголии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Статистический анализ сейсмичности показал, что активизации в
литосфере Байкальской рифтовой системы (БРС) приводят к кратковременной
упорядоченности энергетической структуры и синхронизации динамики
землетрясений Монголии.
2. Вариации сейсмических моментов землетрясений Монголии обусловлены
сменой типа подвижки в очагах под влиянием геодинамических активизаций в
литосфере БРС. Региональные геодинамические источники БРС формируют
переменное поле напряжений в северной и центральной Монголии, а
стохастическое воздействие глобальных источников повышает уровень
напряжений сжатия в юго-западной Монголии.
3. Поле сейсмотектонических деформаций на территории Монголии
отличается отчетливо выраженной неоднородностью. На юго-западе литосфера
менее дислоцирована, чем на севере и, тем более, в центре, где
сейсмотектонические деформации характеризуются высокой неоднородностью.
4. Повышение сейсмической активности в окрестностях г. Улаанбаатар
обусловлено усилением тектонических подвижек по сети разломных зон на
современном этапе их развития, что отчетливо проявляется при количественном
анализе сейсмологических, эманационных и GPS-геодезических данных. Крупные
разломы территории обладают потенциалом, который, судя по оценкам
голоценовых землетрясений, может привести к сейсмическим событиям высокой
магнитуды.
Научная новизна и личный вклад автора. Впервые выполнена
статистическая обработка и интерпретация представительного фактического
материала инструментальных сейсмологических наблюдений и определений
параметров очагов землетрясений с целью изучения пространственно-временной
и энергетической структуры сейсмичности и НДС литосферы Монголии. Работа
выполнена преимущественно на фактическом материале автора и его коллег.
Большинство данных являются новыми, как по фактическому материалу для
конкретных изучаемых объектов, так и по интерпретации.
Главные результаты:
– установлено, что главные особенности наблюдаемых изменений сейсмических
моментов землетрясений Монголии обусловлены сменой типа подвижки в очагах
под влиянием геодинамических активизаций в литосфере БРС. Региональные
геодинамические источники БРС создают переменное поле напряжений северной
и центральной Монголии, а стохастическое воздействие глобальных источников
приводит к повышению уровня напряжений сжатия в юго-западной Монголии.
6
– анализ радиусов дислокаций показал, что литосфера северной и центральной
Монголии дислоцирована сильнее, чем на юго-западе страны. Выделены
неоднородности НДС, причем повышенная изменчивость наблюдается в
центральной части страны. В динамике изменений напряженного и
деформированного состояний литосферы выявлен небольшой фазовый сдвиг.
– установлено, что основные стадии изменчивости сейсмичности и НДС
литосферы Монголии обусловлены геодинамическими активизациями БРС и
между активизациями и моментами усиления изменчивости верифицирована
связь. Этот результат развивает феноменологическую модель стационарного
сейсмического процесса, отражая особую роль и существенное влияние
структурных перестроек НДС в литосфере БРС на геодинамику Монголии.
Наблюдаемая на исследуемом уровне сейсмогенеза стадийность и системность
геодинамики является одним из атрибутов механизма возвращения иерархической
системы разломов-блоков в метастабильное состояние после геодинамических
активизаций и сильнейших землетрясений. В контексте детерминированного
хаоса эти процессы могут быть поняты как отклики на переход неустойчивой
геолого-геофизической среды различного иерархического уровня из одного
метастабильного состояния в другое.
– проведённые в окрестностях г. Улаанбаатар сейсмогеологические исследования
показали, что активные разломы в бортах впадин наследуют разрывные
структуры, оформившиеся на завершающем этапе каледонской складчатости до
заложения впадин. Благодаря этому наследованию современные активные
разломы имеют преимущественно взбросовую кинематику, а их расположение не
совпадает с границами впадин мезозойского возраста. Причиной активизации
разломов является продолжающийся рост сводового поднятия, хотя и не столь
интенсивный как в позднем палеозое или мезозое.
– расчеты GPS–скоростей на полигоне “Ulaanbaatar” показали, что деформации
поверхности земной коры неоднородны и уменьшение скорости деформации
происходит с СЗ на ЮВ. Повышенные значения деформаций приурочены к зонам
сейсмодислокаций, а максимальные сдвиговые деформации имеют вид вытянутых
полос, разделяющих блоки с меньшей деформацией. На западе полигона
выделяется зона субмеридиональной ориентации с преобладанием раздвиговой
составляющей деформации и к этой зоне с максимальным проявлением
составляющей растяжения приурочено скопление землетрясений.
–
сейсмологические
и
эманационные
данные
подтверждает,
что
разломообразование в земной коре Улаанбаатарского полигона происходит в
соответствии
с
глобальным
полем
напряжений.
Стиль
активного
разрывообразования определяется обстановкой сдвига с ориентацией оси сжатия
в направлении ЮЗ-СВ, что согласуется с ЮЗ-СВ направленностью оси
максимального главного горизонтального напряжения SHmax в центральной части
Монголии.
– повышение сейсмической активности в окрестностях г. Улаанбаатар
обусловлено усилением тектонических подвижек по сети разломных зон и
отчетливо проявляется при обработке сейсмологических, эманационных и GPS-
7
геодезических данных. Поскольку активные в голоцене крупные разломы этой
территории обладают сейсмическим потенциалом, который может быть
реализован землетрясениями с магнитудой до M≈7.5, то современная активизация
разломной сети и выделение сильных палеоземлетрясений свидетельствуют о
необходимости уточнения оценки уровня исходной сейсмической опасности
столицы Монголии в сторону ее увеличения.
Характеристика личного вклада автора.
Работа
выполнена
по
материалам
стационарных и
полевых
сейсмологических, палеосейсмогеологических и геофизических наблюдений
(особенно обширных в окрестностях г. Улаанбаатар), для получения которых
автор организовал временные экспедиции и стационары, непосредственно
участвовал в исследованиях, обработке и интерпретации материалов, подготовке
публикаций и представлении результатов на международных и региональных
конференциях и симпозиумах. Автором освоена, развита и применена
формализованная методика массового определения динамических параметров
очагов землетрясений. При этом разработаны, адаптированы и применены
алгоритмы определения и формализации исходных баз данных, методы
статистического анализа и сравнительной интерпретации пространственновременной и энергетической структуры НДС и сейсмичности на трех
иерархических уровнях литосферы. Использованы и развиты методики и
алгоритмы, направленные на идентификацию геодинамических процессов и
выделение пространственных геологических структур в литосфере Монголии.
Предложены и адаптированы способы геофизической интерпретации полученных
материалов и результатов в терминах и понятиях современной геодинамики, НДС
литосферы, сейсмогеодинамики и сейсмичности.
Практическая значимость работы. На практике реализована технология
получения и обработки сейсмологической и геофизической информации на
различных пространственно-временных масштабах, включающая в себя
автоматизацию процесса, обеспечение решения задач определения текущих и
прогнозных оценок и компьютерную визуализацию материалов очаговой и
структурной сейсмологии, эманационного и GPS-мониторинга. Технология в
перспективе создает возможность перехода к мониторингу литосферы в режиме
реального времени с целью оперативного решения задач сейсмической
безопасности и прогноза сильных землетрясений.
Проведенные сейсмогеологические исследования ориентированы на оценку
потенциальной сейсмичности главных сейсмогенерирующих структур Монголии.
На основании карт пространственного распределения сейсмических моментов
сильных землетрясений и разломов выделены территории реализации разного
типа подвижки в очаге. Такая регионализация территории, в совокупности с
другими геолого-геофизическими методами, дает возможность более надежно и
обоснованно подойти к дифференциации зон возникновения очагов
землетрясений (зон ВОЗ).
Развиты методики и алгоритмы, позволяющие определить основные
очаговые параметры землетрясений Монголии. Установление типа современного
8
разломообразования имеет важное значение для оценки сейсмической опасности
г. Улаанбаатар. Наиболее высокая сейсмическая опасность для столицы
Монголии создается потенциалами разломных зон Хустай (до VIII баллов по
шкале МSK-64) и Гунжин (до VIII–IX баллов), расположенных рядом с городом.
Здесь в поле напряжений развивается сеть из четырех направлений разломных
зон, а наиболее крупные представители субширотной и субмеридиональной
систем являются лево- и правосторонними сдвигами. Разломные зоны северозападной и северо-восточной систем наследуют сеть разломов новейшего
возраста и интенсивно развиваются в обстановках сжатия или растяжения.
Ранее считалось, что сейсмическая опасность г. Улаанбаатар невысока из-за
удаленности основных сейсмогенных разломов и низкого уровня сейсмичности.
Исследованиями последних лет в непосредственной близости к городской
агломерации установлены сейсмогенные структуры и выявлен высокий уровень
сейсмичности. Изучение зон повышенной сейсмичности в окрестностях города
методами GPS–геодезии и радонометрии показало наличие локальных аномалии
горизонтальных деформации и высокой эмиссии радона на различных участках
зон разломов. Установленная высокая современная и голоценовая
геодинамическая активность территории поднимает вопрос о пересмотре уровня
исходной сейсмической опасности г. Улаанбаатар в сторону ее увеличения.
Апробация
результатов.
Основные
результаты
исследований
докладывались и обсуждались на международных симпозиумах (Генеральная
ассамблея Азиатской Сейсмологической Комиссии: Вьетнам – 2010, Монголия –
2012, Филлипины – 2014 и Австралия – 2016), Американский геофизический
союз (2013, 2014) и региональных тематических совещаниях (Улаанбаатар, 20102015), (Иркутск, 2010–2016).
Публикации. Фактический материал и основные выводы диссертации
изложены автором и с его участием в 48 научных публикациях, из которых 19
публикаций в ведущих зарубежных (9 публикаций) и российских изданиях,
включая журналы по Перечню ВАК, а также в научных отчетах и в материалах
конференций.
Структура работы. Общий объем работы (374 стр.) составляют введение,
пять глав и заключение (всего 231 стр.), 108 рисунков (на 83 стр.), 30 таблиц (на
21 стр.) и список литературы (416 наименований на 39 стр.).
Первая глава является обзорной и состоит из трех параграфов. В двух
первых параграфах описана геолого-структурная позиция Монголии, строение
земной коры и литосферы по геолого-геофизическим данным. В кратком обзоре
литературных материалов по многолетним геолого-геофизическим и
геодинамическим исследованиям верхней мантии, литосферы и земной коры
Монголо-Сибирской горной страны приводятся главные черты геологического
строения и тектоники Монголо-Байкальского региона (МБР), особенности
глубинного
строения
и
современной
геодинамики,
установленные
геофизическими
методами
по
сейсмическим,
гравиметрическим,
магнитометрическим, геотермическим и GPS-данным. В третьем параграфе
сделано обобщение имеющейся информации по сейсмичности Монголии.
9
Вторая глава посвящена изучению сейсмичности Монголии и состоит из
четырех параграфов, в которых определена энергетическая структура
сейсмичности, рассчитаны основные параметры и характеристики сейсмичности,
установлены эпизоды синхронизации скорости потока землетрясений и
проанализировано пространственно-временное и магнитудно-энергетическое
распределение сильных землетрясений Монголии.
Третья глава посвящена проблемам оценки напряженного состояния
литосферы Монголии по данным о параметрах очагов землетрясений и состоит из
четырех глав. В первом параграфе описывается НДС литосферы Монголии по
данным о механизмах очагов сильных землетрясений. Во втором параграфе
представлена методика определения параметров сейсмических источников и
оценена представительность расчетных данных. В третьем – напряженное
состояние литосферы Монголии исследуется на разных пространственновременных масштабах и энергетических уровнях сейсмичности. В четвертом
параграфе представлены результаты изучения сейсмогеодинамики литосферы
Монголии.
Четвертая глава основана на результатах определения деформированного
состояния литосферы Монголии по данным о радиусах дислокации и включает в
себя три параграфа. В первом параграфе представлены результаты исследования
пространственно-временных вариаций радиусов дислокаций. Во втором –
деформированное состояние литосферы Монголии оценено по данным о форме
дислокаций. В третьем параграфе исследование энергии сейсмотектонических
деформаций литосферы Монголии выполнено на сейсмологических материалах и
по данным об основных разломах.
В четырех параграфах пятой главы отражены результаты геологогеофизических исследований в окрестностях г. Улаанбаатар. Выполнен краткий
обзор изученности сейсмичности Улаанбаатарского бассейна и детально описаны
результаты палеосейсмических и геофизических исследований по определению
сейсмического потенциала основных сейсмоактивных структур в окрестностях г.
Улаанбаатар. Сделано небольшое представление современного состояния и
перспектив развития геофизической мониторинговой сети на Улаанбаатарском
геодинамическом полигоне. Материалы мониторинга сейсмичности, почвенного
радона и GPS-скоростей обработаны в комплексе с привязкой к эпицентральному
полю землетрясений.
Благодарности. Работа выполнена в Институте астрономии и геофизики
Академии наук Монголии, а также частично в лаборатории инженерной
сейсмологии и сейсмогеологии Института земной коры СО РАН. Прежде всего,
хочу выразить слова благодарности Сибирскому отделению РАН и председателю
Президиума СО РАН академику А.Л. Асееву, Иркутскому Научному Центру СО
РАН и научному руководителю ИНЦ СО РАН академику И.В. Бычкову,
Институту земной коры СО РАН и директору член-корреспонденту РАН Д.П.
Гладкочубу за поддержку в реализации совместных Российско-Монгольских
научных проектов по изучению геодинамики и сейсмичности Центральной Азии
и Монголо-Байкальского региона. Благодаря проектам СО РАН, совместным
10
проектам Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства
образования, науки, культуры и спорта Монголии были проведены исследования
в области сейсмологии и сейсмической безопасности Монголии, имеющие важное
теоретическое и прикладное значение.
Фундаментом диссертации являются научные достижения выдающихся
советских и российских ученых – академика РАН Н.А. Логачева, членкорреспондентов АН СССР Н.А. Флоренсова и В.П. Солоненко, докторов наук
А.А. Трескова, Ю.А. Зорина, О.В. Павлова, кандидатов наук В.М. Кочеткова, С.Д.
Хилько, Л.А. Мишариной и многих других ученых – основоположников
современных геолого-геофизических, сейсмогеологических и сейсмологических
исследования на территории Монголии, и учителей первых научных работников–
сейсмологов Монголии (И. Балжинняма, Л. Нацаг-Юма, Д. Мунхоо, Г. Баяраа, Л.
Селенгэ, Т. Дугармаа и др.). Они сделали очень много для того, чтобы научное
направление в области изучения землетрясений развивалось и процветало в
Монголии. Результаты их работ до сих пор имеют огромный интерес среди
исследователей разных стран, которые занимаются проблемами современной
геодинамики и сейсмичности Центральной Азии. Без этих базовых исследований
было бы трудно обеспечить сегодняшнее состояние геофизического и
сейсмологического мониторинга Монголии.
В диссертации использован фактический сейсмологический материал
“Бюллетень землетрясений Монголии” и “Каталог землетрясений Монголии”,
полученный несколькими поколений монгольских и российских сейсмологов.
Спасибо всем сотрудникам и инженерно-техническим работникам, которые
трудились раньше и работают в настоящее время на сейсмических станциях
Монголии.
Автор выражает особую благодарность научному консультанту, д.г.-м.н.
А.В. Ключевскому за постоянное внимание и помощь на всех этапах работы.
Автор глубоко признателен д.г.-м.н. Е.А. Рогожину, К.Ж. Семинскому, В.И.
Джурику, В.С. Имаеву, к.г.-м.н. В.А. Санькову, А.И. Мирошниченко, О.П.
Смекалину, Н.А. Радзиминович, В.М. Демьяновичу и другим коллегам,
содействовавших выполнению работы, за помощь в экспериментальных и
теоретических исследованиях и ценные советы. Автор благодарен член-корр. РАН
Е.В. Склярову, д.г.-м.н. К.Г. Леви, С.И. Шерману, В.В. Ружичу, А.В. Чипизубову
и другим коллегам за обсуждение полученных результатов и доброжелательную
критику отдельных положений диссертации, а также сотрудникам лаборатории
общей и инженерной сейсмологии ИЗК СО РАН, оказавшим помощь в ходе
работы над диссертацией.
Большой объем полевых исследований сейсмоактивных областей
Монголии, включая разломные зоны в окрестностях г. Улаанбаатар, был
выполнен совместно с коллегами из Франции, США, Китая, Германий и Японии.
Автор выражает благодарность французским коллегам – доктору А. Шлюпу и
сотрудникам Страсбургского университета, профессору Э. Калай и сотрудникам
Нормал Университета, профессору Ж.-Ф. Рицу и сотрудникам университета
Монпелье. Особая благодарность профессору Гау Менгтану, доктору Ву Чиньзау
11
и сотрудникам Института геофизики Сейсмологической администрации КНР,
профессору Анне Мелтцер и доктору Д. Старчику из университета Лехая (США),
а также другим коллегам из многих стран за доброжелательное отношение и
внимание к моей работе.
Автор выражает искреннюю благодарность научному коллективу сектора
сейсмологии Института астрономии и геофизики Академии наук Монголии за
подготовку и первичную обработку фактического материала, за проведение
полевых работ и всему научному коллективу Института за обсуждение
диссертации. Особенно хочу поблагодарить кандидатов геол.-мин. наук Г. Баяраа,
Т. Дугармаа и Ц. Батсайхан, докторов (Ph.D) М. Улзийбат, Ч. Одонбаатар и
А.Мунхсайхан, магистров Д. Анхцэцэг, Д. Мунгунсүрэн, Б. Эрдэнэзул и Д.
Ганзорига и других сотрудников Института, содействовавших выполнению
работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Геолого-геофизическая изученность территории Монголии.
Значительная часть территории Монголии расположена в высокогорных
сейсмически активных областях Центрально-Азиатского складчатого пояса
(ЦАСП) и подвержена частым и сильным землетрясениям [Baljinnyam et al.,
1993]. В настоящее время имеются сведения о более 60 землетрясениях с
магнитудой M>5.5 (интенсивностью от 7 до 11–12 баллов) ХХ века [Хилько и др.,
1985], но эти материалы постоянно уточняются и дополняются [Дэмбэрэл и др.,
2013; Рогожин и др., 2013]. Несколько десятков землетрясений Монголии
сформировали крупные нарушения земной поверхности, а сейсмические
катастрофы XX-го столетия с магнитудой M>8 (Болнайское, 1905; Фуюньское,
1931; Гоби-Алтайское, 1957) создали уникальные внутриконтинентальные
сейсмотектонические деформации протяженностью до нескольких сотен
километров. В научном аспекте исследование сейсмичности и землетрясений
Монголии с последующим моделированием сейсмогеодинамики и сейсмического
процесса относится к фундаментальной научной проблеме современной
геодинамики литосферы и имеет важное прикладное значение для обеспечения
сейсмической безопасности и сейсмического районирования территорий. В связи
с этим постоянно осуществляется развитие сети геофизического мониторинга,
расширение базы сейсмологических и геолого-геофизических данных, разработка
новых и модернизация имеющихся методик исследования сейсмичности и НДС
литосферы на различных уровнях её пространственно-временной и
энергетической организации.
В первом параграфе дан обзор геолого-структурной позиции Монголии.
Поскольку сейсмичность, как геодинамический и геолого-тектонический процесс,
неразрывно связана и обусловлена разрушением и происходящими деформациями
литосферы крупных регионов, то проблему изучения сейсмичности и
сейсмогеодинамики литосферы Монголии необходимо рассматривать на основе
неотектонических исследований, имеющих фундаментальное значение в геологогеографическом и геодинамическом познании Центральной Азии. Широко
известна роль трудов Н.А. Флоренсова [1960а; 1960б; 1965; 1968], в которых по
12
результатам структурного анализа рельефа исследуется эволюция орогенического
пояса Южной Сибири и Монголии. Анализ морфоструктуры и данных,
полученных при изучении сильнейших землетрясений МБР, позволил сделать
Н.А. Флоренсову вывод о двух типах и механизмах горообразования. Выделенные
геодинамические типы горообразования и соответствующие им комплексы
морфоструктур находят непосредственное отражение в сейсмотектонике
орогенического пояса Южной Сибири и Монголии [Хилько и др., 1985].
В Южной Сибири достаточно широко распространенны архейские
образования,
представленные
высокометаморфизованными
породами
гранулитовой и амфиболитовой фаций [Беличенко и др., 1982]. Такие древнейшие
метаморфические комплексы слагают фундамент Сибирской платформы. На
нижнепротерозойском этапе развития здесь существовали обширные морские
бассейны, а затем по зонам глубинных разломов начали образовываться узкие
линейные троги [Бухаров, Фиалков, 1996]. Палеозойский этап характеризуется
платформенным режимом и формированием мощных толщ карбонатных,
хемогенных, доломитово-терригенных пород, а со среднего палеозоя МонголоСибирская горная страна начала испытывать устойчивый и длительный подъем. В
позднем мезозое-кайнозое южная часть Восточной Сибири была вовлечена в
процесс тектонической активизации, и по шовной зоне западного края Сибирской
платформы начала формироваться Байкальская рифтовая система впадин (БРС).
БРС, как область новейшей активизации южной части Восточной Сибири,
захватывает территорию северной Монголии, систему горных сооружений Алтая
и Забайкальской области умеренного горообразования. Морфологические связи
этих соседствующих регионов настолько близки, что Н.А. Флоренсов [1978]
охарактеризовал горные системы Южной Сибири и Монголии как единую
Монголо-Сибирскую горную страну. На этой обширной территории в кайнозое
проявилось крупное и интенсивное внутриконтинентальное горообразование,
которое охватило как область растяжения (БРС), так и область сжатия (Западная и
Центральная Монголия) литосферы. Общность и единство этой обширной
территории стали еще более очевидны после обнаружения под ней единой
области аномальной, обладающей пониженными сейсмическими скоростями,
верхней мантии [Рогожина, 1968; Очерки..., 1977].
Почти вся Западная Монголия находится выше тысячи метров над уровнем
моря, а на большей части ее территории поднятия превышают две тысячи метров.
Горная местность продолжается на востоко-юго-восток от Монгольского Алтая в
виде серии поднятых массивов Гобийского Алтая. Тектоническая активизация
позднеплиоцен-четвертичного времени началась здесь несколько позже, чем в
Монгольском Алтае [Тимофеев, Николаева, 1982]. Монгольский и Гобийский
Алтай отделены от Хангайского высокогорья Котловиной Больших Озер и
Долиной Озер. Е.В. Девяткин [1975] установил, что мощности неогенчетвертичных осадков в Котловине Больших Озер не менее 500–700 метров,
однако не исключается наличие более глубоких впадин. По мнению С.Д. Хилько с
коллегами [1985], как бы ни трактовать геодинамическую обстановку эпохи
мезозойской тектоно-магмагической активизации, тектонические структуры этого
13
времени являются следствием вертикальных движений земной коры. Поднятия
МБР в целом унаследованы от палеозойских поднятий, в пределах которых
проявился либо каледонский, либо герцинский гранитоидный магматизм. Повидимому,
астеносферный
диапиризм
является
главной
причиной
горообразования и в Западной Монголии, а сжатие со стороны Индостана могло
вызвать некоторый дополнительный рост высоты горных хребтов из-за
утолщения коры и привести к возникновению сдвиговых деформаций [Молнар и
др., 1995]. Пока не выработано общее согласованное представление о природе,
источниках и механизме Байкальского рифтогенеза. Согласно модели А.И.
Киселева, А.М. Попова [1992], механизм рифтогенеза предусматривает сочетание
воздействий активного местного теплового источника и пассивного источника,
связанного с перераспределением напряжений внутри Евразийской плиты при
коллизии Евразии и Индостана. В настоящее время в качестве инициирующего
фактора кайнозойского рифтогенеза принимается либо результат региональных
мантийных процессов [Logatchev, Zorin, 1992], либо реакция ослабленной зоны на
Индо-Евразийскую коллизию [Molnar, Trapponnier, 1975], либо совместное
действие этих двух источников.
Во втором параграфе представлен обзор материалов по строению земной
коры и литосферы Монголии по геолого-геофизическим данным. С начала 1970-х
годов строение и состояние земной коры и литосферы южной части Восточной
Сибири и Монголии изучалось комплексом геофизических методов, включающим
в себя гравиметрию, магнитометрию, геотермию, электрометрию, сейсмологию,
сейсморазведку, сейсмогеологию и пр. [Рогожина, 1968; Зорин, 1971; Зорин и др.,
1982; Новоселова, 1973; Очерки..., 1977; Турутанов, Зорин, 1978; Хилько и др.,
1985; Кожевников, 1987; Кочетков и др., 1993; Baljinnyam et al., 1993; Молнар и
др., 1995; Кожевников и др., 1995; Попов и др., 1995; Мордвинова и др., 1995;
Complex…, 2004; Джурик и др., 2009 и др.]. Проведенное картирование позволяет
понять наиболее общие закономерности и тенденции формирования земной коры
и литосферы и связать их с проявлениями современной сейсмичности.
Разрешающая способность выполненного картирования невысока и позволяет
выявить только наиболее общие характерные черты и главные особенности
строения коры и литосферы.
Литосфера Монголии в процессе своей эволюции испытывала
разнообразные по типу, направленности, интенсивности и контрастности
тектонические движения, генерирующие сейсмические явления и процессы.
Авторы [Хилько и др., 1985] полагают, что характер тектонических движений и
их “сейсмической составляющей”, обусловленный вполне определенным
динамическим силовым полем, изменялся как во времени, так и в пространстве.
Для характеристики связей между тектоникой и сейсмичностью важным итогом
домезозойской геологической истории Монголии может быть формирование
консолидированной коры материкового типа и сложной сети разрывных
нарушений. Первостепенное значение имеют наиболее древние, заложенные в
начальные стадии геосинклинального развития, протяженные и мощные
глубинные тектонические швы, представляющие границы складчатых поясов и
14
структурно-формационных зон внутри их. К ним относятся: Главный
Монгольский линеамент, Северо-Монгольская и Баян-Хонгорская системы
разломов, Кобдинский, Гоби-Тяньшаньский и другие разломы.
Исследование рельефа раздела Мохоровичича проведенное различными
методами [Очерки..., 1977; Недра..., 1981; Зорин и др., 1982; Геология..., 1984],
показало, что под горными хребтами обычно отмечается некоторое увеличение
толщины коры, а под впадинами и стабильными участками – ее относительное
уменьшение. В целом под Сибирской платформой толщина земной коры
изменяется от 36 до 40 км во внутренних районах и до 43 км в ее краевых частях,
а под Забайкальской областью умеренного горообразования варьирует в
диапазоне 42–46 км. Максимальные изменения мощности коры отмечаются в
БРС: на сравнительно узких участках, соответствующих рифтовым впадинам, она
уменьшается до 34–40 км. Кристаллическая часть коры под впадинами утонена до
28–37 км, что на 10–16 км тоньше по сравнению с корой под примыкающими к
ним горными хребтами, и такое значительное утонение коры вызвано процессами
растяжения, которые начались в олигоцене [Logatchev, Zorin, 1992] и
продолжаются до настоящего времени.
По совокупности данных различных геофизических методов (ГСЗ, анализ
поверхностных сейсмических волн, МТЗ, геотермическое моделирование)
установлено, что мощность литосферы под Сибирской платформой составляет
около 200 км [Zorin et al…, 1989; Геология..., 1984]. Утонение литосферы
характерно практически для всей остальной территории Монголо-Сибирской
горной страны [Zorin et al., 1990]. Под высокими равнинами Восточной Монголии
толщина литосферы растет в направлении с юго-запада на северо-восток от 110 до
180 км и в среднем изменяется от 140 до 175 км. Южнее хребтов Гобийского
Алтая и юго-западнее Монгольского Алтая толщина литосферы составляет 120–
130 км, а под вулканическим плато Дариганга она воздымается до 110 км.
Чрезвычайную важность для анализа сейсмогеологических связей
представляет открытие под Монголо-Сибирской горной страной крупной
низкоскоростной неоднородности в верхней мантии [Рогожина, Кожевников,
1979; Зорин и др., 1982]. Ее проекция на земную поверхность охватывает почти
всю область новейшего горообразования Северной, Центральной и Западной
Монголии. Нижняя граница аномальной мантии от Байкала, где она расположена
на глубине около 400 км, полого погружается к юго-востоку до глубин свыше 500
км и к юго-западу до глубин свыше 700 км (Монгольский Алтай). Между этими
углублениями имеется субмеридиональная перемычка, в пределах которой
глубина залегания подошвы мантии уменьшается до 200–300 км. В плане
перемычка корреспондирует поверхностной новейшей структуре (ОрхонТуульской зоне относительного прогибания, разделяющей Хангайское и ХэнтэйДаурское поднятия), которой соответствует одна из редукционных структур
погружения [Солоненко, 1960; Solonenko, 1988].
Структура и термальное состояние верхней мантии под Хубсугульской
системой грабенов и Хангаем, очевидно, отличаются от свойств мантии под
Монгольским и Гобийским Алтаем. Ю.А. Зорин и др. [1982] отмечают, что
15
низкие скорости сейсмических волн и другие признаки высоких температур в
мантии под БРС могут характеризовать и верхнюю мантию под областями
Хубсугула и Хангая. Средняя скорость волн Рп для Западной Монголии 7.9 (±0.2)
км/с [Балжинням и др., 1975], хотя Ю.А. Зорин и др. [1982] указали, что по
исследованиям с использованием землетрясений Монгольского Алтая и станций
Сибири скорость волн Р для этого района, согласно [Данциг и др., 1965;
Жалковский и др., 1965] равна 8.1(±0.1) км/с. Вероятно, под областями Хангая
и Хубсугула среднее значение скорости снижается только до 7.9 км/с. Известно,
что вступления Р-волн, приходящих от ядерных взрывов в Неваде на станции
Сибири и Монголии, согласованно показывают задержки не только на станциях
Прибайкалья, но также и в областях Хубсугула и Хангая [Рогожина и др., 1983].
Кроме того, позднекайнозойский вулканизм, включая очень молодой базальтовый,
распространен во многих частях Хубсугула и Хангая, но не по Монгольскому или
Гобийскому Алтаю [Девяткин, 1981].
В третьем параграфе описаны результаты исследования сейсмичности,
сильных землетрясений и основных разломов Монголии. Представленные выше
геолого-геофизические материалы по Монголо-Сибирской горной стране
позволяют прийти к выводу о том, что геологическая зональность, тектоническая
структура, современная геодинамика и сейсмогеодинамика Монголии
определяются взаимодействием двух основных механизмов тектоногенеза
[Complex…, 2004; Актуальные…, 2005]. Это, во-первых, механизм автономного
саморазвития БРС в структуре ЦАСП [Logatchev, 1993; Gao et al., 1994;
Ключевский, 2005а; 2011а, б]. По мнению Н.А. Логачева [2003], вулканизм этого
региона связан с формированием при участии флюидов глубинных термальных
ловушек, возникновение и размещение которых определяется какими-то более
общими причинами, чем чисто тектоническое деформирование. С.В. Гольдин с
коллегами [2006] полагают, что остатки астеносферы, сохранившиеся в виде
выступа при неполном закрытии Палеоазиатского и Монголо-Охотского океанов,
являются основным источником деформации литосферы и эволюции МонголоСибирской горной страны за счет гравитационной неустойчивости. По
комплексным геофизическим данным выделены стволовые части плюмов [Зорин,
Турутанов, 2005]. Во-вторых, это плейттектонический механизм внешнего
воздействия на подвижный пояс и другие структурные элементы региона,
который формирует некоторые латеральные перемещения литосферных плит и
блоков. Суперпозиционное взаимодействие основных механизмов тектоногенеза
создает на различных иерархических уровнях литосферы сложные
пространственно-временные перемещения литосферных плит и блоков по зонам
основных разломов. При этом отдельные территории могут испытывать
деформации, происходящие, в том числе частично как ответ на коллизию
Индостана и остальной части Евроазиатского континента [Molnar, Tapponnier,
1975].
Сейсмологические исследования, направленные на изучение механизмов
очагов землетрясений Западной Монголии позволили установить в них условия
близгоризонтального сжатия. В северной Монголии в Прихубсугулье характер и
16
тип разрывов при землетрясениях имеют комплексный характер [Хилько и др.,
1985; Кочетков и др., 1993; Молнар и др., 1995; Ключевский, Селенгэ, 1995;
Ключевский, Демьянович, 2006], что может указывать на суперпозицию
“центрально-азиатского” и “байкальского” полей напряжений. Очаги монгольских
землетрясений располагаются в пределах земной коры, а для гипоцентров
сильных землетрясений наиболее типична глубина 15–30 км.
Глава 2. Сейсмичность Монголии. Представленные в работе результаты
исследования сейсмичности и НДС литосферы Монголии получены по
разработанным и развитым методам общего и детального изучения с адаптацией
методик и материалов к реальным условиям сейсмического мониторинга и
формирования базы данных землетрясений Монголии. Используемые подходы
позволяют применять статистические методы к анализу сейсмичности Монголии
для установления структуры, определения состояний и выявления особенностей
региональной сейсмогеодинамики. Полученные в данной части основные
результаты подтверждают фундаментальные свойства литосферы Монголии как
диссипативной неравновесной самоорганизующейся системы, частные детали
изменений состояния которой существенно не влияют на общую стационарность
энергетической структуры сейсмичности и сейсмического процесса.
В первом параграфе определены основные параметры и характеристики
сейсмичности Монголии. В основе анализа сейсмичности Монголии лежат
материалы, полученные сетью сейсмических станций Монголии (ССМ) за период
инструментальных наблюдений с 1964 по 2015 годы. Одним из основных видов
продукции, полученной в результате деятельности ССМ по 2005 год, является
каталог землетрясений, в котором для каждого толчка приведены время его
возникновения, географические координаты эпицентра, класс точности их
определения и энергетический класс KР по шкале Т.Г. Раутиан [1964]. Чтобы
использовать данные по сейсмичности за весь период инструментальных
наблюдений с 1964 по 2015 год, было необходимо для интервала времени 20042015 годы совершить переход от магнитуд
к энергетическому классу KР. Для
решения этой задачи из каталога ССМ и “Каталога землетрясений Прибайкалья”
были выбраны землетрясения, зарегистрированные в пределах Монголии с 2004
по 2015 годы сетью ССМ (имеющие определение
) и сетью сейсмических
станций Байкальского региона (имеющие определение KР). Всего было выбрано
1394 землетрясения в диапазоне энергетических классов 5≤ KР ≤16 и магнитуд
2≤ ≤6. Для этого массива данных по методу наименьших квадратов получено
уравнение прямой парной линейной регрессии в виде
≈ 3.2 + 1.9
(5 ≤
≤ 16),
(1)
Используя формулу (1), магнитуды
были переведены в энергетический класс
KР. Карта-схема эпицентров землетрясений Монголии с KР≥8 за период
инструментальных наблюдений 1964-2015 год дана на рис.1, обобщение данных
представлено на карте-схеме изолиний плотности толчков (Рис.2).
17
Рис. 1. Карта-схема эпицентров землетрясений Монголии за 1964-2015 годы.
1– основные разломы; 2 – озера; 3 – города, аймачные центры и крупные сомоны;
4 – эпицентры землетрясений с KР≥8.
Рис.2. Схема регионализации территории Монголии и карта-схема
изолиний плотности эпицентров землетрясений с KР≥8.
1 – основные разломы; 2 – озера; 3 – города, аймачные центры и крупные
сомоны; 4 – границы исследуемых территорий: а – Монголии, б – областей, в –
районов; 5 – шкала изолиний плотности эпицентров землетрясений.
18
На рис.2 плотность эпицентров определена путем подсчета чисел толчков с
KР≥8 в площадках 0.50.5 (Рис.2). На рис.1, 2 выделяются полосы высокой
плотности эпицентров землетрясений, согласующиеся с зонами основных
разломов, а участки повышенной концентрации эпицентров имеют вид отдельных
“пятен”. Как правило, эти “пятна” соответствуют очаговым зонам сильных
землетрясений и формируются афтершоками [Джурик и др., 2009]. Сопоставление
с [Хилько и др., 1985; Джурик и др., 2009] показало, что распределение
землетрясений по территории Монголии не претерпевает существенных
изменений и отражает неизменность положения основных сейсмогенерирующих
структур. На рис.2 показана схема регионализации территории Монголии на
четыре области (север, центр, юг и запад) и пять районов (М-А – МонголоАлтайский, Х – Хубсугульский, Б –Болнайский, О-Т – Орхон-Туульский и Г-А –
Гоби-Алтайский), полученная по изолиниям плотности толчков.
800
N
а
14000
N
а
13000
700
600
Монголия
центр
север
юг
запад
500
400
12000
11000
10000
Монголия
центр
9000
север
юг
8000
запад
7000
6000
300
200
100
5000
4000
3000
2000
1000
год
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
год
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Рис. 3. Распределение чисел землетрясений с KР9 Монголии и четырех
областей: по годам (а) и суммированных по годам (б).
Графики чисел землетрясений Монголии и четырех областей показаны на
рис.3. Рост числа толчков в 1970, 1974 и 1991-1992, 2003 и 2013 гг. обусловлен
афтершоками Урэгнурского (1970), Тахийншарского (1974), Бусийнгольского
(1991), Чуйского (2003) и Тувинского (2013) сильных землетрясений (Рис.3а). С
первых лет сейсмического мониторинга наблюдается постепенное квазилинейное
увеличение количества зарегистрированных землетрясений N, осложняемое
иногда всплесками роста количества толчков при афтершоковых сериях (Рис.3б).
Во втором параграфе оценена энергетическая структура сейсмичности
Монголии. Классификация землетрясений по шкале энергетических классов дает
возможность определения параметров графика повторяемости с целью
сопоставления энергетической структуры сейсмичности различных территорий и
анализа вариаций структуры во времени. График повторяемости землетрясений
характеризует распределение чисел толчков по шкале энергетических классов
[Бунэ и др., 1960; Ризниченко, 1985; Джурик и др., 2009]. Наклон  графика
характеризует соотношение чисел сильных и слабых землетрясений и зависит, в
основном, от используемой шкалы энергетической оценки толчков, типа
сейсмотектонического течения горных масс, степени раздробленности и
неоднородности среды, от энергетического диапазона и числа рассматриваемых
землетрясений [Кронрод, 1984; Садовский и др., 1987]. Другим параметром
19
графика повторяемости является его уровень, характеризующий при
фиксированном энергетическом классе KP сейсмическую активность A10 – число
толчков KP=10, обычно нормированное по пространству и времени. Для шкалы
энергетических классов формулу графика повторяемости можно представить в
виде [Ризниченко, 1985]
lg N= lg A10 +  (K–K0),
при KPKmax,
(2)
N=0
при KP>Kmax,
где N – число сейсмических событий, K0 – фиксированный энергетический класс,
обычно K0=10, Kmax – энергетический класс максимально возможного
землетрясения в исследуемой области литосферы. Наклоны графиков
повторяемости землетрясений Монголии определены при использовании годовых
и накопленных суммарных массивов толчков представительных энергетических
классов KР≥9. При расчете  использовался метод наименьших квадратов (МНК),
в варианте расчетов g применены формулы метода максимального правдоподобия
(ММП). Видно, что оценки g достаточно устойчивы, устойчивость  повышается с
ростом объемов данных, а основные вариации наклонов  и g происходят при
реализации сильных землетрясений и сопровождающих их афтершоков (Рис.4).
При сопоставлении параметра  Монголии и Байкальского региона видно их
близкое совпадение (Рис.5), которое отражает общую природу современных
сейсмотектонических деформационных процессов на территории МБР.
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
-0.2
год -0.3
год
-0.3
-0.4
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.5
1
2
1
а
-0.8
, g
2
б
-0.6
, g
Рис. 4. Наклоны графиков повторяемости землетрясений Монголии по
годовым (а) и накопленным суммарным (б) массивам толчков с KР≥9.
1 – МНК (), 2 – ММП (g). Линия на рис.4а – среднегодовое значение =-0.45.
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
-0.2
год -0.3
год
-0.3
Монголия
Байкальский регион
-0.4
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.5
Монголия
Байкальский регион
-0.8

а
-0.6
б

Рис.5. Вариации наклона  годовых (а) и суммарных (б) выборок
землетрясений Монголии и Байкальского региона.
20
В третьем параграфе установлены корреляции скорости потока
землетрясений МБР. Использованы временные ряды годовых чисел
землетрясений N с KР9, происшедших с 1964 по 2015 годы в пределах
Байкальского региона, Монголии и входящих в них территорий. Годовые ряды
чисел N разделены на выборки длиной в три года, пять и десять лет, временной
сдвиг между выборками N сравниваемых пар территорий равен нулю, шаг
расчетов равен одному году. По реализациям одной длины вычислены
коэффициенты парной линейной корреляции  сравниваемых территорий, а
полученное значение  приписывается середине временного интервала каждой
реализации. Для статистической оценки значимости наблюдаемых корреляций
вычислены суммы годовых значений коэффициентов корреляции S,
нормированные на число коррелируемых пар n (S/n), и стандартное отклонение .
Участки графиков с высоким уровнем нормированной суммарной корреляции S/n
при небольших  детерминируют эпизоды синхронизации скорости потока
землетрясений Монголии и МБР.
S/4
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
а
S/5
б
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
3 года 0.2
0.1
5 лет
год
0
10 лет -0.1
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
-0.2
-0.3
-0.4
3 года
-0.5
-0.6
5 лет
-0.7
10 лет
-0.8
год
Рис. 6. Графики нормированной суммарной корреляции по выборкам
длиной в три года, пять и десять лет для Монголии и четырех областей (а),
Байкальского региона и пяти районов Монголии (б).
Анализ скорости потока землетрясений свидетельствует о совпадении
периодов повышенной корреляции скорости сейсмического потока в Монголии и
Байкальском регионе (Рис.6). Основные эпизоды синхронизации скорости потока
толчков наблюдаются в конце 1960-х, начале 1980-х и начале 1990-х годов.
Эпизод синхронизации скорости потока землетрясений в начале 1980-х годов
прослеживается на всех исследуемых территориях МБР, а эпизоды конца 1960-х и
начала 1990-х годов слабо проявляются в Монголии и наблюдаются, в основном,
при длине реализации в три года. Геодинамическая активизация конца 1970-х –
начала 1980-х годов в литосфере БРС [Ключевский, 2008] находит хорошее
отражение в корреляции скорости потока толчков на всех территориях, что дает
возможность рассматривать её в качестве доминирующего сейсмотектонического
явления в литосфере МБР. Геодинамические активизации БРС конца 1960-х и
начала 1990-х годов проявляются в сейсмичности Монголии менее значительно.
Таким образом, перестройки напряжений в литосфере БРС находят значимое
отражение в энергетической структуре сейсмичности и в синхронизации скорости
потока толчков на огромной территории МБР, что устанавливает сейсмогенную
связь Байкальского региона и Монголии.
21
В четвертом параграфе рассмотрены сильные землетрясения Монголии. В
XX-ом столетии территория Монголии послужила ареной, на которой
разворачивались грандиозные сейсмотектонические процессы и акты, создавшие
разрывы на поверхности литосферы протяженностью до нескольких сотен
километров. Катастрофические землетрясения – Цэцэрлэгское, 09.07.1905, K=16,
M=7.6, =49.5 с.ш., =97.3 в.д.; Болнайское, 23.07.1905, K=17, M=8.2, =49.3
с.ш., =96.2 в.д.(северная область); Монголо-Алтайское (Фуюньское), 10.08.1931,
K=17, M=8.0, =46.8 с.ш., =89.9 в.д.(западная область); Гоби-Алтайское,
04.12.1957, K=17, M=8.1 =45.1 с.ш., =99.4 в.д. (южная область); Могодское,
05.01.1967, K=17, M=7.8 =48.1 с.ш., =102.9 в.д. (центральная область) –
произошли в разных областях Монголии с интервалом в несколько десятков лет
[Хилько и др., 1985]. В это же время в Монголии зафиксировано множество менее
сильных землетрясений. Такой список сильнейших землетрясений характеризует
литосферу Монголии как уникальный регион на Земле, подвергнутый
грандиозным упругим и сейсмотектоническим деформациям планетарного
масштаба. Во всех областях и районах Монголии происходили катастрофические
землетрясения с Kmax≈17-18 и магнитудой Mmax≈8. Палеосейсмологические
материалы позволяют оценить магнитуду и энергетический класс самого
сильного палеоземлетрясения величиной ПСС =8.0 и ПСС =17. (ПСС Ар-Хутэл,
зона Кобдинского разлома, возраст 300-500 лет). Если учесть погрешности в
определении магнитуд и энергетических классов [Новый каталог…, 1977], то
исторические и палео-землетрясения Монголии имеют хорошее совпадение в
магнитудах и классах. Близкое соответствие по силе исторических и палеоземлетрясений Монголии отражает фундаментальное свойство стационарности
энергетической структуры сейсмичности и принципиальную невозможность
реализации землетрясений выше определенной величины, задаваемой свойствами
литосферы и условиями ее деформирования.
Проблема оценки рекуррентных интервалов (интервалов повторяемости) и
вероятности сильнейших землетрясений Монголии, четырех областей и пяти
районов имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение.
Наши оценки получены при условии распределения толчков различной энергии
по экспоненциальному закону и распределению во времени по закону Пуассона и
дают информацию для целей сейсмического районирования. Если величину
максимально возможного энергетического класса землетрясений Монголии
принять равной Kmax=19, то рекуррентные интервалы толчков с KP=18 составят
230 лет. При Kmax=19 в Монголии величина энергетического класса землетрясений
с 10%-ной вероятностью реализации в течение 50 лет равна KP=18.4, а
вероятность землетрясений с KP=18.0 в течение 50 лет составляет P=0.20.
Глава 3. Напряженное состояние литосферы Монголии по данным о
параметрах очагов землетрясений. Напряженное состояние литосферы
Монголии определено преимущественно по материалам о сейсмических моментах
совокупности землетрясений с KР8, зарегистрированных МСС с 1970 по 2000
годы. Однако в первом параграфе напряженное состояние литосферы оценено по
22
индивидуальным решениям параметров очагов сильных землетрясений Монголии
за более продолжительный период времени, почти за все XX-е столетие (Рис.7).
Рис.7.
Фокальные
[Radziminovich et al., 2012]).
механизмы
землетрясений
Монголии
(из
Таблица 1
Частота реализации типов подвижек в четырех областях Монголии
Частота реализации типов подвижек
Тип подвижки Монголия Север Юг Центр Запад Среднее Стандарт
взброс
0.39
0.35 0.44 0.33
0.50
0.40
0.06
сброс
0.11
0.19 0.00 0.12
0.09
0.10
0.06
сдвиг
0.50
0.46 0.56 0.56
0.41
0.50
0.06
По данным карты фокальных механизмов землетрясений Монголии
подсчитана частота реализации типа подвижки по разлому на территории
Монголии и четырех областей (Таблица 1). Результаты указывают на отсутствие
сбросов на юге Монголии. В южной и центральной Монголии происходят
преимущественно сдвиги, на западе преобладают взбросы. На севере
доминирование сдвигов над взбросами невелико, а количество сбросов значимо
превышает средний уровень. Такое пространственное распределение фокальных
механизмов может указывать, что генерация сильных землетрясений Монголии
происходит в условиях суперпозиции крупномасштабных и региональных полей
напряжений. На это указывало смешение фокальных механизмов в
Прихубсугулье [Хилько и др., 1985; Golenetsky, 1990; Кочетков и др., 1993;
Zonenshain and Savostin, 1981], которое подтверждается тем, что очаги
землетрясений северной Монголии имеют разные типы подвижек (Таблица 1).
Во втором параграфе описаны используемые сейсмологические материалы
и выполнены оценки представительности землетрясений, имеющих определения
динамических параметров очагов. Для исследования пространственно-временных
23
изменений НДС литосферы Монголии, 4 областей и 5 районов используются
параметры 17375 землетрясений с KР8, зарегистрированных с 1970 по 2000 год, в
ряде случаев использовались толчки с KР5. Динамические параметры очагов
землетрясений вычисленыя по формулам [Brune, 1970]
M0=4 rV3 Ф0 / ,
(3)
R=2.34V / 2 f0,
(4)
где M0 – сейсмический момент, дн см, R – радиус дислокации, км, =2.7 г/см3 –
плотность среды, V=3.58 км/сек – скорость распространения объемных
поперечных волн [Голенецкий, Новомейская, 1975], r - гипоцентральное
расстояние, км, =0.6 – значение функции направленности излучения из очага
[Ризниченко, 1985], Ф0 и f0 – спектральная плотность и угловая точка
амплитудного спектра Фурье [Klyuchevskii, 2004]. Используемый в работе
фактический материала имеет высокую представительность – примерно половина
из числа зарегистрированных в Монголии землетрясений имеют определение
динамических параметров, а представительность толчков с KР8 превышает 60%.
В третьем параграфе установлено напряженное состояние литосферы
Монголии на разных пространственно-временных и энергетических уровнях.
Рассчитаны уравнения парной линейной корреляции логарифма сейсмического
момента и энергетического класса землетрясений lgM0=f(KP) каждой территории
и проанализированы вариации во времени коэффициента пропорциональности bM
и среднего по выборке значения M0 землетрясений одного класса. В физическом
смысле коэффициент bM характеризует соотношение чисел толчков различных
типов подвижек (сбросов, сдвигов и взбросов) в очагах используемой выборки
землетрясений и через это соотношение описывает напряженное состояние
исследуемого объема литосферы [Klyuchevskii, 2004]. Средние по годовой
выборке сейсмические моменты M0 землетрясений отражают доминирующий
тип подвижки в очагах землетрясений таких классов.
Рис.8. Графики годовых изменений
параметров bM (А) и M0 (Б)
Монголии.
Рис.9. График вариаций во времени
M0 (А) и фазовый портрет M0j (Б)
землетрясений Монголии с KP=10.
24
Наблюдаемая
на
рис.8А
суперпозиция
квазистационарного
и
колебательного поведения bM находит отражение в совпадении линии среднего за
весь интервал времени значения bс≈0.52 и тренда кривой bM≈0.69-0.0001t –
графики среднего (линия) и тренда (пунктирная линия) почти совпадают, а
коэффициент корреляции bM со временем R≈0. Это указывает на устойчивость
напряженного состояния литосферы Монголии, на которое накладываются
возмущения. Так в 1973 году коэффициент bM понижается до минимума, а затем
монотонно растет до максимума 1981 года, а дальнейшее понижение
заканчивается минимумом в 1988 году. В 1989-1990 гг. наблюдается быстрый
рост коэффициента bM с последующим плавным понижением и небольшим
отскоком вверх в 1997 году. В целом график коэффициента bM отражает
колебательный характер напряженного состояния литосферы Монголии. Если
рассматривать колебания относительно линии равновесия bс≈0.52, то выделяются
три колебательных цикла: первый цикл начинается в 1960-х годах и заканчивается
в 1979 году, второй цикл длится 10 лет (1979-1989 гг.), а третий цикл
продолжается с 1989 по 1997 год. Среди землетрясений Монголии с KP=8 сбрососдвиги преобладали почти все время, за исключением 1970-1972 годов, когда
доминировали сдвиги, и 1992 года, когда среднегодовые значения M0
приблизились к зоне сбросов (Рис.8Б). Высокое M0 в начале 1970-х годов
указывает на повышенную частоту реализации толчков-сдвигов относительно
сбросо-сдвигов и усиление горизонтального сжатия. Чтобы показать изменения в
напряженном состоянии литосферы с ростом KP, на рис.9 представлен график
вариаций во времени M0 (А) и фазовый портрет M0j (Б) землетрясений Монголии с
KP=10. При сопоставлении рис.8Б и рис.9А видно, что график землетрясений с
KP=10 близки по форме графику слабых толчков с KP=8 (коэффициент парной
линейной корреляции графиков ρ≈0.74). Однако график и бассейн аттрактора
землетрясений с KP=10 расположен в зоне сдвигов (Рис.9 А, Б), в то время как
график землетрясений с KP=8 соответствует сбросо-сдвигам.
Временной интервал исследований в миллион раз короче мезокайнозойского периода рифтогенеза Центральной Азии [Logatchev and Florensov,
1978; Ma and Wu, 1987; Logatchev, 1993; Liu et al., 2004; Zhao et al., 2006; Mats and
Perepelova, 2011]. Однако в этот небольшой интервал времени в литосфере
Монголии выделяются три колебательных цикла продолжительностью около 10
лет, которые можно связать с тремя перестройками напряжений в литосфере БРС
в конце 1960-х годов, в конце 1970-х - начале 1980-х годов и в конце 1980-х –
начале 1990-х годов. Ограниченные временные рамки мониторинга сейсмичности
Монголии не позволяют пока выявить более продолжительные циклы колебаний
напряжений. Предполагалось [Klyuchevskii, 2014], что при активизациях в
литосфере БРС за ее пределами будут возникать эпизоды горизонтального сжатия
литосферы с генерацией толчков-сдвигов и взбросов различных магнитуд. Такие
генерации “дополнительных” (с учетом установленных синхронизаций
сейсмичности см. Рис. 6) слабых сдвигов в литосфере Монголии находят
отражение в эпизодах повышения значении M0 землетрясений с KP=8÷10 в начале
1970-х, 1980-х, 1990-х годов и в конце 1990-х годов (см. Рис.8Б, 9А), которые
25
соответствуют во времени активизациям БРС. В остальное время уровень M0
флуктуирует в бассейне генерации сбросо-сдвигов. Три колебательных цикла
коэффициента bM Монголии, 4 областей и 5 районов хорошо соответствуют во
времени активизациям в литосфере БРС, а эпизоды повышенной неустойчивости
коэффициента bM, отличающиеся выбросами bM и высокими стандартными
отклонениями, выделяются преимущественно в начале 1970-х, 1980-х, 1990-х
годов и в конце 1990-х годов (см. Рис.8А).
В четвертом параграфе определены свойства сейсмогеодинамики
литосферы Монголии. Область современной геодинамики, специализирующаяся
на преимущественном использовании и применении информации по
сейсмичности, называется сейсмогеодинамикой [Уломов, 2005; Уломов и др.,
2007]. При исследовании корреляции и синхронизации сейсмогеодинамических
процессов в литосфере четырех областей и пяти районов Монголии использованы
временные ряды коэффициента bM и значений M0, полученные в предыдущей
главе. Используемый подход к обработке и анализу данных описан выше при
исследовании корреляции скорости потока землетрясений МБР (Рис.6). На рис.10
представлены графики S/6, полученные по данным bM (а) и M0 (б) четырех
областей. На рис.10а видно, что в начале 1970-х (1973, S/6≈0.86) и в конце 1980-х
– начале 1990-х (1990, S/6≈0.97) годов уровень S/6 высок и отражает два эпизода
синхронизации сейсмогеодинамики областей. На рис.10б в начале 1970-х (1973,
S/6≈0.71), в конце 1970-х (1978, S/6≈0.84) и в начале 1990-х (1991, S/6≈0.92) годов
уровень S/6 повышен и отражает три эпизода синхронизации.
а
S/6
1
1
3 года
5 лет
10 лет
0.8
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
год
1975
1980
1985
1990
1995
2000
0
1970
-0.2
-0.4
-0.4
-0.6
-0.6
-0.8
-0.8
б
3 года
5 лет
10 лет
0.8
0.6
0
1970
-0.2
S/6
1975
1980
1985
1990
1995
2000
год
Рис.10. Графики S/6, полученные по данным bM (а) и M0 (б) четырех
областей.
Таким образом, по данным о фокальных механизмах 84 сильных
землетрясений XX века с магнитудой M4 и сейсмических моментах 17375
землетрясений с KP8, зарегистрированных с 1970 по 2000 годы, выполнено
определение структуры, пространственно-временных и энергетических вариаций
напряженного состояния, когерентности и синхронизации геодинамических
процессов в литосфере Монголии, четырех областей и пяти районов. Данные
фокальных механизмов и сейсмические моменты сильных землетрясений (KP10)
подтверждают ключевую роль сдвигового механизма сейсмотектонического
26
деформирования литосферы Монголии; слабые землетрясения с KP=8 и KP=9
происходят преимущественно как сбросо-сдвиги.
Глава 4. Деформированное состояние литосферы Монголии по данным
о радиусах дислокаций. Изменение формы или размеров геологического тела
при силовом воздействии приводит к его деформированию, которое из-за
неоднородности
разломно-блоковой
среды
обычно
характеризуется
деформированным состоянием объекта. В первом параграфе рассмотрены
пространственно-временные вариации коэффициента bR, отражающего наклон
линейного графика lgR=f(KP), где R – радиус дислокации (см. ф.4). На рис.11
представлен график изменений во времени bR для Монголии. Виден
колебательный
характер
временных
вариаций
bR
с
усилением
сейсмотектонических деформаций в начале 1970-х, 1980-х, 1990-х годов после
активизаций в литосфере БРC. На графике находят отражение геодинамические
колебательные процессы, установленные при анализе напряженного состояния
литосферы Монголии (см. Рис.8А). Максимальное по длительности и уровню bR
проявление сейсмотектонических деформаций наблюдается в начале 1980-х
годов. Нарастание и падение уровня сейсмотектонического деформирования
происходит плавно и, судя по графикам относительно линии среднего значения
bR≈0.0955, вариации bR имеют периодичность около 10 лет. Тренд графика
положителен и слаб, что, с одной стороны указывает на некоторое отставание
фазы деформаций от напряжений (у которых тренд bM нулевой за это же время,
см. Рис.8А), а с другой стороны – отражает квазистационарность
сейсмотектонического деформирования литосферы Монголии.
bR
bR = 0.0006t - 1.064
 = 0.17
0.14
0.13
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
1970
год
1975
1980
1985
1990
1995
2000
Рис. 11. График годовых изменений коэффициента bR Монголии.
На рисунке показаны временной тренд (прямая линия) с уравнением корреляции
bR≈0.00006t–1.06, коэффициент корреляции bR со временем ≈ 0.17 и среднее по
годам значение bR≈0.0955 (штриховая линия).
Во втором параграфе для определения формы дислокации по
совокупностям сейсмических событий и распределениям чисел землетрясений в
зависимости от величины отношения радиусов, использованы формулы
следующего вида
Lg N= A + d R1/R2,
(5)
27
где R1/R2 – коэффициент формы дислокации, N – число толчков, A и d коэффициенты. Формула (5) информирует о деформированном состоянии
литосферы по данным совокупности землетрясений, а коэффициент d
характеризует распределение чисел толчков, имеющих различные значения R1/R2.
В рамках теории самоподобной фрактальной среды [Садовский, 2004] такое
определение параметра d характеризует неоднородность среды. Чем меньше
значение d, тем больше в выборке толчков, форма дислокации которых
приближается к кругу, а изометрическая форма дислокации (R1/R21) характерна
для землетрясений, дислоцирование которых происходит в условиях
квазиоднородного деформированного состояния очаговой среды [Ризниченко,
1985; Ключевский, 2008].
Рис.12. Карта-схема сейсмодеформированного состояния литосферы
Монголии в изолиниях параметра d.
1– основные разломы; 2 – озера; 3 – города, аймачные центры и крупные сомоны;
4 – границы исследуемых территорий: а – Монголии, б – областей, в – районов; 5
– изолинии параметра d, 6 и 7 – эпицентры сильных землетрясений с магнитудой
7>M≥6 и M≥7.
На рис.12 представлена карта-схема сейсмодеформированного состояния
литосферы Монголии в изолиниях параметра d. Карта-схема построена по данным
о землетрясениях, зарегистрированных в площадках 2.02.0, сглаживание
выполнено при шаге в 1 по широте и долготе, а значения d приписаны центрам
площадок. Наиболее существенной особенностью карты являются протяженные
зоны и локальные участки максимальных значений коэффициента d,
соответствующие областям повышенной неоднородности литосферы. Самая
значительная по размерам и величине коэффициента d-(0.390.45) зона
выделяется в центральной части карт и имеет, в целом, субмеридиональное
направление. Она протягивается по долготе λ≈105-106° от южной оконечности оз.
28
Байкал через всю Монголию к югу. Эта полоса совпадает с выделенной в работе
[Ключевский, 2008] субмеридиональной зоной максимальных значений
коэффициента d, уходящей на север до середины оз. Байкал. Эта зона совпадает с
Орхон-Туульской зоной относительного прогибания, разделяющей Хангайское и
Хэнтэй-Даурское поднятия, которой соответствует одна из редукционных
структур погружения [Солоненко, 1960; Solonenko, 1988]. Кроме зон с
максимальными значениями коэффициента d на карте-схеме выделяются участки
с минимальными d, расположенные на северо-западе и на юге Монголии. Самый
большой участок с минимальными значениями d находится на северо-западе
Монголии и совпадает со структурой, выделенной на юго-западном фланге
Байкальского региона [Ключевский, 2008].
Рис.13. Кайнозойские активные разломы Монголии и их сейсмический
потенциал: логарифм сейсмического момента (logM0) и магнитуда MW.
В третьем параграфе данные о разломах и сильных землетрясениях
применены для оценки энергия сейсмотектонических деформаций литосферы
Монголии. Построена карта сейсмоэнергетического потенциала активных в
кайнозое основных разломов Монголии (Рис.13). На этой карте энергетический
потенциал разломов характеризуется логарифмом сейсмического момента –
параметра, определяющего работу по перемещению “очагового” блока в
стесненных условиях литосферы [Ризниченко, 1976], и моментной магнитудой
MW возможного землетрясения. Сейсмический момент вычислялся по формуле
M0=SD,
(6)
где  – модуль сдвига, S и D – площадь дислокации и смещение по разлому, и
через S и D связан с сейсмотектоническим деформированием горных пород. В
соответствии с Т. Ханкс и Х. Канамори [1977; 1979] моментная магнитуда MW
связана с сейсмическим моментом M0 (нм) выражением
29
MW =1/1.5 (lg M0 –9.1).
(7)
Мы сопоставили энергетический потенциал разломов и выделенную в
результате землетрясений энергию сейсмотектонических деформаций. Для
решения этой задачи привлечены землетрясения с KP9, происшедшие за период
инструментальных наблюдений, и землетрясения исторического периода (1740–
1963 гг.) с магнитудой M6. Для перехода от магнитуд к сейсмическому моменту
используется уравнение, установленное по данным о сильных землетрясениях
мира [Ризниченко, 1976]
lg M0 0.6=8.4+1.6M.
(8)
2
В площадках размером 200200 км определены максимальные значения
магнитуд землетрясений, которые по формуле (8) пересчитаны в величины
сейсмического момента в единицах ньютон на метр (Нм, работа).
Рис.14. Карта-схема изолиний логарифма энергии сейсмотектонических
деформаций литосферы Монголии и гистограмма распределения
(А)
логарифма энергии во времени.
1 – озера, 2 – аймаки, 3 – граница России и Монголии, 4 – основные разломы, 5 –
шкала логарифма энергии сейсмотектонических деформаций.
На рис.14 представлена карта-схема изолиний логарифма суммарного
сейсмического момента землетрясений, характеризующая работу, выполненную
в результате землетрясений. В рамках теории последействия она может
интерпретироваться как карта-схема энергии сейсмотектонических деформаций
литосферы Монголии. Анализ карты указывает на неоднородность распределения
сейсмотектонических деформаций литосферы – зоны максимальной энергии
приурочены к крупным разломам и узлам, генерирующим землетрясения
максимальной магнитуды. Повышенным уровнем энергии сейсмотектонических
деформаций выделяется система разломных структур, окружающих Долину Озер.
Максимальный уровень lgM022 соответствует очагу катастрофического
Монгольского землетрясения (M=8.3, 1761 г.) на западе Монголии. Несколько
30
меньше
уровень
энергии
сейсмотектонических
деформаций
при
катастрофическом Болнайском (M=8.2, 1905 г., lgM021.9), Монголо-Алтайском
(M=8.0, 1931 г., lgM021.2) и Гоби-Алтайском (M=8.1, 1957 г., lgM021.4)
землетрясениях. В очаге Могодского землетрясения (M=7.8, 1967) lgM020.8. В
менее значительных максимумах lgM01819, а территория повышенного уровня
энергии сейсмотектонических деформаций выделяется изолинией
lgM016.
Распределение сейсмотектонической энергии во времени характеризуется
гистограммой логарифма суммарного значения сейсмических моментов
землетрясений, происшедших в регионе с 1740 года за интервалы времени в 10
лет (Рис. 14А). Наблюдаемый на гистограмме повышенный уровень логарифма
суммарного сейсмического момента совпадает во времени с наиболее сильными
землетрясениями, указывая, что сбросы сейсмотектонической энергии свыше 1020
Дж происходили в результате сильнейших землетрясений с M7.5 и доля
выделенной энергии менее значительными толчками мала.
Глава 5. Геолого-геофизические исследования в окрестностях г.
Улаанбаатар. Постановка наших исследований в широком плане обусловлена
тем, что по территории Монголии проходит ЦАСП и только в ХХ веке здесь
произошло четыре катастрофических землетрясения и много менее сильных. Пока
не совсем ясно, какие природные силы смогли инициировать такие мощные
землетрясения на небольшой территории за относительно короткий промежуток
времени, и фундаментальной проблемой является познание природы их
генерации. В более узком и практическом плане проведение исследований
обусловлено социально-экономическим развитием страны и общества, что
привело к резкому росту урбанизации и повышению плотности населения. В
особенности это относится к столице страны городу Улаанбаатар – важному
административному и экономическому центру, где проживает свыше 40%
населения Монголии. Поэтому с начала XXI-го века в окрестностях г.
Улаанбаатор были запланированы и осуществлены целенаправленные геологогеофизические исследования (изучение сейсмичности и содержания почвенного
радона, GPS-мониторинг и др.) по установлению особенностей развития всей
территории и отдельных морфоструктур, в пределах которых происходили в
недавнем геологическом прошлом (во второй половине голоцена) крупные
сейсмические события.
В первом параграфе кратко описана сейсмичность Улаанбаатарского
бассейна и его окрестностей. После Могодского землетрясения 1967 г. –
сильнейшего в Центральной Монголии, которое характеризовалось магнитудой
7.8 и интенсивностью в эпицентре (I0) 10 баллов [Хилько и др., 1985] были
проведены работы по сейсмическому районированию и микрорайонированию г.
Улаанбаатар
[Нацаг-Юм и др., 1971]. В ходе этих исследований было
установлено, что столица Монголии располагается на границе зон семибалльной
(к западу от города) и шестибалльной (к востоку) интенсивности сейсмических
сотрясений по шкале MSK-64. При этом конкретные сейсмогенерирующие
структуры, ответственные за эти сейсмические воздействия, в то время выявлены
не были. Исследования по сейсмическому районированию (ОСР-83) территории
31
Монголии существенно не изменили этих оценок [Хилько и др., 1985]. В работе
[Джурик и др., 2009] обобщены материалы по сейсмическому районированию
интенсивно-осваиваемых территорий и населенных пунктов, в том числе и
столицы Монголии. Анализ сейсмичности показал [Хилько и др., 1985; Dugarmaa,
Schlupp, 2006; Джурик и др., 2009], что в окрестностях г. Улаанбаатар
регистрируются сейсмические события небольших классов.
Во втором параграфе по результатам палеосейсмических и геофизических
исследований оценен сейсмический потенциал основных сейсмоактивных
структур в окрестностях г. Улаанбаатар. Расчеты и карты показали, что наиболее
высокая сейсмическая опасность для столицы Монголии создается потенциалами
разломных зон Хустай (до VIII баллов по шкале МSK-64) и Гунжин (до VIII–IX
баллов по шкале МSK-64), расположенных в окрестностях города (Рис.15,
Таблица 2).
Рис.15.
Сейсмичность
Хэнтэй-Даурского мегасвода за
1913-2004 годы.
Условные обозначения: 1 –
активные разломы; 2 – контур
ядра мегасвода (граница ядра и
подножия); 3 – внешняя граница
мегасвода
по
[Металлогенический…, 1977]; 4
–
сейсмогенные
и
палеосейсмогенные структуры:
1–Дэрэнская, 2–Могодская, 3–
Гусиноозёрская, 4–Хэнтэйская,
5–Гунжинская, 6–Керуленская,
7–Шархайская, 8–Авдарская.
Таблица 2
Сейсмический потенциал разломов и возможная интенсивность
сотрясений в г. Улаанбаатар (по шкале МSK-64)
Название разлома,
Тип разлома
MW
Возможная интенсивность
длина, км
в г. Улаанбаатар
Левый сдвиг с
Хустай, 112
вертикальной компонентой
7.5
VIII–IX
Авдар, 50
Левый сдвиг
7.1–7.2
VII–VIII
Взброс с компонентой
Гунжин, 15-20
правого сдвига
≥6.5
VII–VIII
Шархай, 50
Левый сдвиг
7.1–7.2
VIII
Взброс с компонентой
Эмээлт, 35
правого сдвига
6.5–7.1
VIII–IX
Мунген морь, 90
Взброс
7
V–VI
32
В третьем параграфе кратко описана геофизическая мониторинговая сеть
на Улаанбаатарском геодинамическом полигоне и перспективы ее развития.
В четвертом параграфе выполнена обработка материалов по
сейсмичности, почвенному радону и GPS-геодезии и представлены основные
результаты. На карте-схеме эпицентров и изолиний плотности эпицентров
землетрясений с KР≥1 Улаанбаатарского геодинамического полигона видно, что в
зоне разлома Эмээлт выделяется максимум плотности землетрясений, в основном
KР≤8 (Рис. 16.). На остальной территории плотность эпицентров толчков в
площадках 0.20.3 варьирует от 10 до 50 событий.
Рис.16. Карта-схема эпицентров и изолиний плотности эпицентров
толчков с KР≥1 на Улаанбаатарском геодинамическом полигоне.
По результатам изучения почвенного радона выделены зоны активных
разломов, связанные с сейсмичностью. Изменения сейсмической и радоновой
активности вдоль сместителя разлома Хустай показаны на рис.17. Объективность
выделения подобных зон подтверждается эманационными данными: радоновая
активность разломов, изученных в пределах наиболее важных для дальнейшего
анализа зон, достигает сверхвысокой степени (KQ > 10). Кроме того, показатель
радоновой активности KQ для детально изученного разлома Хустай не превышает
4.1 за границами центральной области с повышенной плотностью эпицентров
землетрясений (рис.17). Следовательно, этот крупный дизъюнктив в наиболее
молодом поле напряжений полноценно не задействован: в последнее десятилетие
динамично развиваются лишь те его фрагменты, которые располагаются в местах
пересечения со структурами современной активности, например, субширотной
зоной. Эта и субпараллельная ей, наиболее протяженная зона развиваются при
отсутствии продольных новейших разрывов за счет подвижек по разломам
различных направлений, попавших в границы описываемых зон, что отчетливо
видно по положению максимумов плотности эпицентров землетрясений.
33
Рис. 17. Изменение сейсмической и радоновой активности вдоль
сместителя разлома Хустай.
А. Положение эпицентров землетрясений, произошедших в период эманационных
измерений в полосе шириной 20 км, протягивающейся вдоль разлома Хустай. Б-В.
Изменение вдоль простирания Хустайского разлома параметров радоновой
активности, полученных при обработке данных профильной эманационной
съемки: Б – вариации степени радоновой активности (Р); В – вариации
интенсивности эманационной аномалии.
1 – фрагмент субширотной сейсмоактивной зоны №3; 2 – сместитель Хустайского
разлома; 3 – точка графика, для которой получено значение параметра (на схеме
местности соответствует точке пересечения профиля и сместителя разлома); 4 –
сегментированный график, при построении которого значение параметра
перенесено с точки измерения на половину расстояния до смежной точки; 5 –
положение эпицентра землетрясения, произошедшего на площади исследования в
2013-2014 гг.; 6 – положение (и индексация) профилей эманационной съемки, для
которых определены характеристики радоновой аномалии, представленные на
графиках Б-В.
Мониторинг деформаций земной поверхности с использованием
спутниковой GPS (Global Positioning System) геодезии является одним из
наиболее эффективных методов исследования быстрых деформационных
процессов, связанных с землетрясениями, оползнями и другими проявлениями
современной геодинамики, в том числе и катастрофическими. Данные GPSизмерений позволяют установить основные закономерности деформационных
34
процессов в земной коре и литосфере, выявить геологические структуры и
изучить соотношения современных деформаций земной поверхности с
неотектоническим строением региона. Детальный GPS-мониторинг, проводимый
с использованием большого количества пунктов измерений, дает возможность
изучения блоковой структуры земной коры. На рис.18 показаны скорости
горизонтальных движений по данным GPS-измерений на пунктах полигона
“Ulaanbaatar” за период 2010–2015 гг. Видно, что ориентировки векторов
временных пунктов в целом совпадают с направлением вектора скорости
постоянного пункта ULAB (Улаанбаатар). Азимуты большинства векторов
изменяются от 110º до 150º, однако для отдельных пунктов достигают 60º и 240º.
Значение скоростей перемещения пунктов варьируют от 2.6 мм/год (ULAB) до 9.3
мм/год (FERM).
Рис.18. Скорости
горизонтальных движений по данным GPSизмерений на
пунктах полигона “Ulaanbaatar” за период 2010–2015 гг. в
системе ITRF2014 относительно Евразии и постоянного пункта IRKT.
Эллипсами показаны 95% доверительные интервалы.
Представленная на рис.19 карта-схема позволяет связать расположения роя
землетрясений (см. рис. 16) с уровнем удлинения горизонтальных деформаций.
Видно, что рой землетрясений фактически не переходит границу минимума
деформаций удлинения, а максимальная плотность эпицентров толчков совпадает
с максимумом величины удлинения установленных деформаций. Такое
соответствие типично для роевых последовательностей землетрясений,
располагающихся обычно в областях дилатансии. Так для объяснения природы и
свойств роев предложена механическая модель, включающая миграцию
магматических флюидов через сети взаимодействующих трещин сдвига и
растяжения [Hill, 1977]. Такие взаимодействующие разломно-трещинные сетки
действуют как проводники для гидротермальных и гидрокарбонатных, а также
магматических флюидов, кооперативное действие которых вызывает ускоренное
снятие напряжений и релаксацию среды за счет снижения трения на разломе.
35
Рис.19. Карта-схема изолиний составляющей удлинения скоростей
горизонтальных деформаций в пределах полигона “Ulaanbaatar”.
Точками показаны эпицентры землетрясений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках решения проблемы сейсмической безопасности на территории
Монголии в работе разработаны и развиты экспериментально-теоретические
методы и способы, позволяющей определить структуру сейсмичности и НДС на
четырех иерархических уровнях литосферы. В работе использовано большое
количество землетрясений, что позволяет охарактеризовать полученные
результаты и выводы как достоверные при высоком уровне значимости.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается не только
высокой представительностью используемых данных, но и верификацией по
натурным и хорошо проверяемым материалам сейсмологических и геофизических
наблюдений и широкой апробацией. Развитые методы и алгоритмы решения
задачи реконструкции и идентификации сейсмичности по данным очаговой и
структурной сейсмологии позволили установить и подтвердить сложную картину
пространственно-энергетической структуры и динамики сейсмичности в
Монголии, корреспондирующую с основными свойствами сейсмичности в БРС.
Вариации основных параметров и характеристик сейсмичности различных
регионов Монголии дают основание сделать вывод о неустойчивости
сейсмического процесса и неоднородности эпицентрального поля, которые
обусловлены изменениями НДС и структурой системы разломов в литосфере.
Результаты проведенных исследований показывают, что основные вариации
сейсмичности обусловлены вариациями НДС среды и последействием
сильнейших землетрясений, а моменты усиления вариаций совпадают с
активизациями сейсмического процесса. Наблюдаемая на исследуемом уровне
сейсмогенеза стадийность и системность сейсмического процесса является одним
из атрибутов механизма возвращения иерархической системы разломов-блоков в
метастабильное состояние после геодинамических активизаций и сильнейших
36
землетрясений. Эти эффекты в контексте детерминированного хаоса могут быть
поняты как отклик на переход неустойчивой геолого-геофизической среды
различного иерархического уровня из одного метастабильного состояния в
другое. Полученные результаты подтверждают фундаментальные свойства
литосферы Монголии как диссипативной неравновесной самоорганизующейся
системы, частные детали изменений состояний которой существенно не влияют
на стационарность энергетической структуры сейсмичности и сейсмического
процесса. Основные стадии изменчивости НДС литосферы Монголии
обусловлены геодинамическими активизациями БРС и между активизацией
сейсмического процесса и моментами усиления изменчивости верифицирована
связь. Этот вывод развивает феноменологическую модель стационарного
сейсмического процесса, отражая особую роль и существенное влияние
структурных перестроек НДС литосферы БРС на сейсмичность Монголии.
Основные наблюдаемые особенности динамики сейсмических моментов
землетрясений Монголии хорошо соответствуют модели нелинейного рифтинга с
бифуркацией трехкратного равновесия. В определенных условиях напряжений
геодинамическая система литосферы имеет единственное асимптотически
устойчивое состояние равновесия, характеризующее достаточно устойчивый
геодинамический режим тектоники литосферных плит и малых деформаций на
большей части Монголии. При изменении траектории существует область
значений, в которой система может иметь три состояния равновесия,
характеризующие сейсмогеодинамику северной Монголии с неоднородным и
нестационарным внутриплитным распределением напряжений и деформаций
повышенного уровня.
Обобщенная информация о сейсмогенных разломах и сильных
землетрясениях
Монголии
за
инструментально-исторический
период
трансформирована в карту-схему энергии сейсмотектонических деформаций
литосферы, которая поставлена в соответствие карте общего сейсмического
районирования территории Монголии. Полученные результаты характеризуют
энергию сейсмотектонических деформаций литосферы в абсолютных единицах,
что удобно для проектирования и строительства. Разрабатываемый подход к
оценке
энергии
сейсмотектонических
деформаций
рекомендуется
к
использованию с целью развития современных проектно-изыскательских,
конструкторских и строительных технологий в рамках решения проблемы
обеспечения сейсмической безопасности на территории Монголии. Поскольку в
энергии сейсмотектонических деформаций отражается НДС, то в анализируемом
масштабе полученные карты характеризуют НДС литосферы Монголии как
блоково-линеаментно-доменное и пространственно неоднородное.
В
результате
проведенных
на
Улаанбаатарском
полигоне
сейсмогеологических исследований получены материалы по особенностям
развития сейсмотектонических и сейсмических процессов, установлены главные
параметры очаговых зон сильных землетрясений и их индивидуальные
особенности. Полученный фактический материал позволяет оценить значение
максимальной магнитуды Мmax≈7.5 для Хустайского сейсмогенерирующего
37
разлома (Туульская зона ВОЗ). При протяженности Гунжинского разрыва не
менее 15–20 км и ширине закартированных сейсмогенных трещин в разрезе не
менее 1 метра, магнитуда палеоземлетрясения могла составлять порядка 7.0.
Согласно “стандартному” уравнению макросейсмического поля, такие
землетрясения могут ощущаться на территории г. Улаанбаатар с интенсивностью
до VIII–IX баллов по шкале МSK-64.
Комплексирование геолого-геофизических и геодезических исследований
на Улаанбатаарском геодинамическом полигоне позволяет связать глубинные и
поверхностные деформации земной коры и согласованно описать полученные
результаты. Глубинные деформации, отраженные в сейсмодислокациях и в
распределении эпицентров большого количества землетрясений хорошо
соответствуют поверхностным проявлениям процесса деформирования земной
коры. Анализ сейсмологических, эманационных и геодезических данных
подтверждает, что сейсмичность и разломообразование в земной коре полигона в
настоящее время происходит в глобальном поле напряжений, а стиль активного
разрывообразования на изученной территории определяется обстановкой сдвига с
ориентацией оси сжатия в направлении ЮЗ-СВ, (оси растяжения – ЮВ-СЗ). В
таком поле напряжений развивается сеть из четырех направлений разломных зон,
причем наиболее крупные представители субширотной и субмеридиональной
систем являются лево- и правосторонними сдвигами. Установление типа
современного разломообразования имеет принципиальное значение для оценки
сейсмической опасности столицы Монголии, где проживает более одной третьей
части населения страны.
Основные опубликованные работы по теме диссертации в изданиях,
рекомендованных ВАК Минобрнауки России
1.
2.
3.
4.
Статьи в научных рецензируемых журналах
Дэмбэрэл С., Батарсурэн Г., Имаев В.С., Стром А.Л., Смекалин О.П.,
Чипизубов А.В., Гриб Н.Н., Сясько А.А., Качаев А.В., Палеосейсмогенные
деформации в окрестностях Улан-Батора по геологическим и геофизическим
данным // Вопросы инженерной сейсмологии. – 2010. –Т. 37. – № 3. – С. 45-54.
Баяраа Г., Ключевский А.В., Дэмбэрэл С. Монгол орны нутаг дэвсгэрт
буртгэгдсэн газар ходлолтийн товуудийн нягтаршил // Proceedings of the
Mongolian Academy of Sciences. (Шинжлэх Ухааны Академийн МЭДЭЭ). –
2010. – Vol. 196. – No 2. – P. 3-12.
Ключевский А.В., Демьянович В.М., Дэмбэрэл С., Лхагвадорж Б. Карта
энергии сейсмотектонических деформаций литосферы Монголии //
Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2011. – № 1. – С.
47–51.
Rizza M., Ritz J.-F., Braucher R., Vassallo R., Prentice C., Mahan S., Mcgill S.,
Chauvet A., Marco S., Todbileg M., Demberel S., Bourles D. Slip rate and slip
magnitudes of past earthquakes along the Bogd left-lateral strike-slip fault
38
(Mongolia) // Geophysical Journal International. – 2012. – V. 186. – No.3. – P. 897927.
5. Ключевский А.В, Демьянович В.М., Дэмбэрэл С., Лхагвадорж Б. Энергия
сейсмотектонических деформаций литосферы Монголии // Доклады РАН. –
2012. – Т. 443. – №4. – С. 495–499.
6. Семинский К.Ж., Дэмбэрэл С., Тугарина М.А., Ганзориг Д., Борняков С.А.
Первые оценки объемной активности почвенного радона в разломных зонах
Центральной Монголии // Доклады РАН. – 2012. – Т. 447. – № 2. – С. 199–203.
7. Татьков Г.И., Базаров А.Д., Бержинская Л.П., Демберел С. Сейсмическая
надежность жилой застройки г. Улаанбаатара// Вестник ВСГУТУ. – №1(36). –
2012. – С. 223–228.
8. Рогожин Е.А., Ларьков А.С., Дэмбэрэл С., Баттулга Б. Повторяемость сильных
землетрясений в зоне активного разлома Ховд на Монгольском Алтае //
Геотектоника. – 2013. – № 5. – С. 36-47.
9. Дэмбэрэл С., Имаев В.С., Рогожин Е.А., Смекалин О.П., Улзийбат М.,
Чипизубов А.В. К уточнению сейсмической опасности г. Улаанбаатар
(Монголия) // Вопросы инженерной сейсмологии. – 2013. – T.40. – № 1. – С.
19-32.
10. Seminsky K.Zh., Demberel S. The first estimations of soil-radon activity near faults
in Central Mongolia // Radiation measurements. – 2013. – V. 49. – P. 19–34.
11. Бержинская Л.П., Саландаева О.И., Базаров А.Д., Киселев Д.В., Дэмбэрэл С.
Оценка сейсмической надежности современной застройки г. Улаанбаатора //
Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2014. – №1. – С.
49-55.
12. XU Guang-Yin, WANG Su-Yun, HUAN Wen-Lin, WU Qing, GAO A-Jia,
Demberel S. Study on seismicity and its geodynamic genesis in Sino-Mongolia Arc
Areas // Chinese Journal Geophysics. – 2014. – 57(7). – P. 2372-2385.
13.Семинский К.Ж., Бобров А.А., Дэмбэрэл С. Вариации объемной активности
радона в разломных зонах земной коры: пространственные особенности //
Физика Земли. – 2014. – № 6. – С. 80–98.
14. HE Jing, WU Qing-Ju, GAO Meng-Tan, ZHANG Rui-Qing, YU Da-Xin, Ulziibat
M., Demberel S. Crustal structure and Poisson ratio beneath the central and southern
Mongolia derived from receiver functions // Chinese Journal Geophysics. – 2014. –
57(7). – P. 2386-2394.
15. Семинский К.Ж., Бобров А.А., Дэмбэрэл С., Бурзунова Ю.П., Мунгунсурен
Д., Оюун-Эрдэнэ М., Семинский А.К., Билгуун М., Тарасова А.А. Зона
Хустайского разлома (Центральная Монголия): результаты эманационной
съемки // Известия Сибирского отделения секции наук о Земле Российской
академии естественных наук. Геология, поиски и разведка рудных
месторождений. – 2014. – № 6 (49). – С. 68–81.
16. YU Da-Xin, WU Qing-Ju, LI Yong-Hua, PAN Jia-Tie, ZHANG Feng-Xue, HE
Jing, GAO Meng-Tan, Ulziibat M., Demberel S. Rayleigh wave tomography of the
phase velocity in the central and southern Mongolia // Chinese Journal Geophysics. –
2015. – 58(1). – P. 134-142.
39
17. PAN Jia-Tie, WU Qing-Ju, LI Yong-Hua,YU Da-Xin, GAO Meng-Tan, Ulziibat
M., Demberel S. Ambient Noise Tomography in Central-South Mongolia // Chinese
Journal Geophysics. – 2015. – 58(4). – P. 436-450.
18. QIANG Zheng-Yang, WU Qing-Ju, LI Yong-Hua, HE Jing, GAO Meng-Tan,
Ulziibat M., Demberel S. Crustal anisotropy beneath central-south Mongolia and its
dynamic implications // Chinese Journal Geophysics. – 2016. – 59(5). – P. 16161628.
19. Radziminovich N.A., Bayar G., Miroshnichenko A.I., Demberel S., Ulziibat M.,
Ganzorig D., Lukhnev A.V. Focal mechanisms of earthquakes and stress field of the
crust in Mongolia and its surroundings // Geodynamics & Tectonophysics. – 2016. –
V. 7 (1). – P. 23–38.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
5 068 Кб
Теги
напряжения, сейсмичности, деформирования
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа