CC BY
118
Макро- и мезоструктуры очаговой области землетрясения
С.В. Гольдин
Институт геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
Сейсмическая очаговая область есть область физического пространства, в которой возникает избыточная концентрация механической энергии. Как следствие, в ней развиваются различные аккомодационные процессы, в результате которых появляется специфическая мезоструктура очаговой области. Главные типы аккомодационных процессов: перераспределение напряжений в окружающее пространство благодаря механизму трещинной дилатансии, квазипластическое течение, характеризующееся усиленной диссипацией энергии, упрочнение блочной структуры благодаря ужесточению контактов смежных блоков. Каждому аккомодационному процессу отвечает подобласть очаговой зоны, в которой он наиболее интенсивно проявляется. Само землетрясение, как правило, возникает на границе двух подобластей с разной реологией. Из сказанного можно заключить, что очаговая область есть область с контрастными физическими характеристиками.
Macro- and mesostructures of the seismic focal zone
S.V Goldin
Institute of Geophysics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia Seismic focal zone is a domain of the medium with an excess mechanical energy. It influences intensive accommodation processes of the medium under loading. This, in turn, results in the appearance of a specific mesostructure of the focal zone. Main types of accommodation processes are i) redistribution of stresses into the surrounding space due to crack dilatancy, ii) quasi-plastic flow characterized by strong dissipation of energy, and iii) strengthening of block media due to more rigid block contacts. The mesostructure of the focal zone consists of domains corresponding to a specific accommodation process. An earthquake, as a rule, occurs on the boundary of domains with different reology. We may conclude that the focal zone is the domain with strongly contrasting physical characteristics.
1. Введение
Как известно, пластическая деформация в реальных средах является многомасштабным процессом, который развивается, начиная с микроуровня и заканчивая масштабным уровнем, имеющим характерные размеры, сопоставимые с разрушающимся объектом. Очаговые области землетрясений не являются исключением. Непосредственно перед землетрясением в очаговой области формируется специфическая структура пластической деформации, элементы которой имеют размеры, более или менее сопоставимые с размерами очага. К сказанному следует сделать два комментария. Во-первых, здесь разделяется понятие очага, как области, занятой разрывом (фактически — источник сейсмических волн), и понятие большой очаговой зоны, которая характеризуется аномальными напряжениями или другими аномальными характеристиками и в которой проявляются
те или иные предвестники землетрясения. Эта зона может иметь размеры, на порядок большие самого очага [1]. Именно о структуре такой зоны и идет речь. Во-вторых, я придерживаюсь высказанной в [2] точки зрения, согласно которой любые неоднородности пластической деформации, в том числе и те, которые соизмеримы с пластически деформируемым объектом, могут быть отнесены и к мезоуровню и макроуровню, в зависимости от угла зрения. Основанием к этому служит свойство масштабного подобия пластической деформации на всех мезоуровнях, включая и тот (самый верхний) уровень, элементами которого являются, по существу, макрообъекты. Естественно, что эффективные физические характеристики таких элементов являются макрохарактеристиками и, более того, любые аспекты возникающей структуры, не имеющие отношения к процессам пластической деформации, определяют эту
© Гольдин С.В., 2005
структуру как макроскопическую. В согласии со сказанным развитую структуру пластической деформации в очаговой области можно считать ее мезоструктурой.
Данная статья посвящена двум проблемам: аккомодационным процессам, которые происходят в среде, стремящейся противостоять увеличивающимся нагрузкам, и возникающей, как следствие аккомодационных процессов, мезоструктуре очаговой области. Мы ограничим себя коровыми землетрясениями.
В существующих концепциях землетрясения структура очаговой области либо никак не декларируется (самое большее указывается появление области локализации деформации, в которой и развивается сам разрыв [3, 4]), либо же рассматривается достаточно простая геометрия поверхности, вдоль которой происходит прерывистое скольжение одной плиты относительно другой [5]. Между тем, в экспериментах на образцах обнаруживается, что в пластическом состоянии в среде образуется специфическая мезоструктура, которая состоит из жестких доменов, испыпывающих поступательное движение и вращение, а также полос течения, в которых и реализуется деформация сдвига. Важно отметить, что эта структура не обязана априорно существовать в среде, но она формируется в процессе аккомодации материала к увеличивающейся нагрузке. Естественно, что необходимым условием образования указанной мезострук-туры является естественная неоднородность любого материала по прочностным свойствам, которая всегда имеет место. Я постараюсь показать, что такая же мезоструктура не только возникает в очаговой области землетрясения, но и объясняет многие типичные явления, которые наблюдаются при подготовке и реализации землетрясения.
В своих рассуждениях я опираюсь на представление
о двойственной геомеханической природе геологической среды: с одной стороны, это сплошная среда, обладающая упругостью, пластичностью и хрупкостью, с другой стороны, это самоподобная иерархическая система блоков, обладающая различными вариантами квазипластичности. Строго говоря, в любых проявлениях пластичности и хрупкого разрушения блочность среды играет важную роль. Говоря о двойственной геомеханической природе геологической среды, я имею в виду наличие ситуаций, в которых возможно применение классических уравнений механики сплошной среды, включая задачи типа распространения трещины в сплошной среде и т.п. Такие модели становятся существенно неэффективными, когда на первый план выходит переупаковка блоков [6].
2. Область генерации
Землетрясение есть сброс избытка энергии, который возникает из-за неспособности неразрушающих диссипативных процессов релаксировать поступающую в
очаговую область энергию. Область среды, которая может считаться источником растущих упругих напряжений, безусловно, может рассматриваться как важный структурный элемент очаговой области, который мы условимся называть областью генерации. Фактически, это синоним более общего (и, скорее статического, нежели динамического) понятия — концентратора напряжений. Поскольку область генерации проявляется на том этапе, когда пластическая деформация очаговой зоны еще не развита, ее следует отнести к макроструктуре очаговой области. Тем более что различные конкретные области генерации не обязаны быть подобными друг другу. Для глубоких землетрясений, происходящих в зонах Беньо-фа, областью генерации является область специфического для данной глубины (точнее, РТ-условий) твердотельного фазового перехода. В условиях нижней и верхней коры такими элементами являются магматические очаги (источники термонапряжений), области метаморфизма (области с изменяющимся объемом), а также области усиленной дегидратации и т.п. В данной работе рассматриваются тектонические землетрясения, то есть землетрясения, обусловленные медленными движениями масс земной коры, как-то: относительным движением плит, контактирующих по системе поверхностей, течением материала в виде крипа и т.п. У таких землетрясений источником растущих напряжений является замедление движения материала из-за механических препятствий. Ими могут быть жесткие неровности поверхности скольжения (asperities), более жесткие участки, где падает скорость крипа (а стало быть, и его способность к диссипации энергии), и просто жесткий блок на пути текущего материала. Хотелось бы здесь отметить, что материал течет всегда. Вопрос только в скорости течения. Согласно заключению, сделанному Никитиным по данным нейтронографии [7], следы течения имеются во всех исследованных кристаллических зернах горных пород. Итак, первый элемент структуры — область, занятая более жестким или попросту жестким материалом, либо область контакта двух жестких блоков, движущихся друг относительно друга. Вследствие естественной «неодинаковости» любых природных образований, в последнем случае один из блоков является более жестким, чем другой. Во всех случаях наиболее жесткий блок в области генерации будет называться доминантным. Характерным свойством доминантного блока является асейсмичность на протяжении всего или большей части сейсмического цикла.
Сейсмический цикл является одним из важнейших понятий физики очаговых зон. Землетрясение есть только один из актов процесса сбрасывания глобального потока энергии на низшие масштабные уровни. Процессы, побуждающие вещество коры двигаться, имеют совсем другие характерные времена, нежели характерные времена, связанные с подготовкой и реализацией хрупкого разрушения. Поэтому каждое тектоническое земле-
трясение есть только единичный акт процесса разрушения (точнее, «разламывания^) и «доламывания») препятствий, затрудняющих тектоническое перемещение масс. Каждое землетрясение меняет геомеханическую ситуацию в определенной области коры. С другой стороны, это изменение, как правило, не слишком значительно. Поскольку побудительные процессы не исчезают, возникают условия для нового накопления и сбрасывания напряжений на краю того же препятствия. Эта последовательность актов накопления и сбрасывания напряжений и составляет суть понятия сейсмического цикла. Представленная картина весьма упрощена, поскольку землетрясения происходят не в изолированных локальных областях коры, а в сейсмоактивных зонах со сложной и достаточно пестрой картиной генерации и релаксации избыточных напряжений. Тем не менее, последовательность сейсмических циклов в определенной области обладает характерными временами или, как говорят, повторяемостью. Результатом неоднократного повторения акта разрушения является образование таких специфических структурных элементов, как разлом-ные зоны. Разломные зоны имеют линейный характер, поскольку землетрясение, как правило, реализуется как сдвиг вдоль линейно ориентированной трещины.
Естественно, что сейсмический цикл присущ землетрясениям не только тектонического происхождения, но и любого другого генезиса.
Формализации процесса генерации напряжений в случае тектонических землетрясений могут быть различны: вязкое течение с переменным коэффициентом вязкости, кулоновское трение с переменным коэффициентом трения, кулоновское трение на поверхностях со сложной геометрией, давление одного жесткого блока на другой блок и т.п. Важным краевым условием для уравнений, описывающих генерацию напряжений, является скорость деформации (скорость течения, скорость смещения по контакту и т.п.) на границе области генерации со стороны направления движения. Именно этот параметр является (наряду с характеристиками среды) наиболее важным контролирующим параметром для всего процесса развития землетрясений. Для простоты будем называть его внешней скоростью деформации (и обозначать а) независимо от вида движения. Что касается характеристик среды, то важнейшей является характеристика прочности (например, критическая интенсивность т* девиатора напряжений). Здесь возникает сложность, поскольку в области генерации могут контактировать тела с разной прочностью (тем более что прочность может меняться вследствие роста дефектности). Поэтому мы введем абстрактный параметр р0, который включает прочностные характеристики всех контактирующих тел в начале сейсмического цикла.
В случае генерации землетрясений иного генезиса формализация чаще всего более определенна: рост тер-
монапряжений в окрестности высокотемпературного магматического очага, изменение объема и свойств анизотропии в области метаморфизма либо твердотельного фазового перехода. Как и в медицине, стресс (повышение напряжений) является неспецифической реакцией на широкий спектр воздействий. Однако нельзя исключить ситуации, когда землетрясение происходит не вследствие повышения напряжений, а вследствие падения прочности материала, например вследствие поступления флюидов в область генерации. Некоторые исследователи полагают, что подобный способ инициации землетрясений вообще является ведущим, но, как мне кажется, исключительно четкая связь большинства механизмов землетрясений с геодинамической (тектонической) обстановкой и с данными GPS опровергает такое представление. Однако полностью исключать подобную возможность пока нельзя. И уж тем более нельзя не признавать важнейшую роль флюидов в развитии любого землетрясения.
3. Процессы аккомодации на начальной стадии развития землетрясения
После того как напряжения начали повышаться, сразу же начинаются процессы аккомодации, которые более или менее типичны для любого генезиса землетрясений, во всяком случае, в классе коровых землетрясений. Термин «типичность» понимается здесь в том смысле, в каком он употребляется в следующем предложении: «когда мячик бросают вниз, то он, в типичном случае, подскакивает». Ясно, что мячик может упасть в песок или в грязь.
Первым аккомодационным процессом, который начинается сразу после того, как в области генерации начинают накапливаться сдвиговые напряжения, есть процесс диффузии девиаторной части напряжений в окружающее пространство. В работе В.С. Митлина и В.Н. Николаевского [8] показано, что диффузия напряжений может осуществляться по механизму нелинейной ползучести с уравнением состояния типа т = B(T)(I)а-1 у, где т и у суть девиаторы тензоров напряжений и деформации; I — второй инвариант тензора Y, при этом о > 1 в материале, дилатирующем под воздействием сдвиговых напряжений. Уравнение динамического равновесия с таким уравнением состояния имеет решения, обладающие конечной скоростью распространения и, следовательно, локализованные (в каждый момент времени) в конечной области пространства. Скорость распространения со временем падает как
11ст/(1+а). Поэтому можно считать, что на больших временах процесс практически останавливается. Но остановка может произойти и раньше, вследствие того что диффузия напряжений меняет свойства материала. Асимптотика решений такова, что первоначально коло-
коловидное распределение сдвиговых напряжений со временем становится «ящикообразным».
Авторы цитированной работы считают, что данный механизм диффузии применим для дилатирующего материала, например в разломных зонах. Подобный же подход может применяться и для описания диффузии напряжений в окрестности контакта вязкого течения и жесткой плиты, но при о < 1. Разумеется, возможны и другие подходы к формализации процесса диффузии напряжений.
Понятно, что для использования механизма в условиях растущего напряжения данное уравнение (или любой другой его аналог) должно быть сопряжено с уравнением, описывающим процесс роста напряжений. При правильном сопряжении обязана появиться точка бифуркации у соответствующей траектории данного процесса (рост напряжений + диффузия напряжений): аккомодация может оказаться успешной (рост напряжений прекращается) либо же неуспешной. Возможна и третья альтернатива: процесс роста напряжений значительно замедляется (временная аккомодация), а затем возобновляется вновь. Именно последние две ситуации определяют возможность (и необходимость) последующего рассмотрения.
Результатом диффузии напряжений является формирование начальной области влияния очага. Если отвлечься от динамики формирования этой области, то оценить ее геометрию и размеры можно, решая более простую задачу статической теории упругости с концентратором напряжений в области генерации. Тогда начальную область влияния можно определить по заданному значению одного из инвариантов девиатора напряжений. Такой подход вполне обоснован при наличии временной аккомодации. Очевидный недостаток этого подхода состоит в том, что величину концентрации напряжений необходимо задавать из каких-то других соображений, например, по девиаторной составляющей тензора сейсмического момента, что характеризует сбрасываемое напряжение в очаге. Если выбранное значение инварианта совпадает с некоторым критерием прочности, отвечающим образованию трещин в материале, то начальная область влияния совпадет с областью трещинной дилатансии. Впервые такие вычисления были произведеныв работе [9] для однородного полупространства с концентратором типа направленной силы. Было получено, что область трещинной дилатансии имеет двухъярусное строение: нижний ярус окружает концентратор напряжений, а верхний (приповерхностный) ярус ограничен сверху дневной поверхностью и имеет линейные размеры по латерали много большие, чем нижний ярус. Именно наличие приповерхностной дилатансной зоны объясняет большое количество предвестников землетрясения приповерхностного происхождения. В основе большинства из них лежит факт роста проницаемости среды благодаря трещинообразованию. Но могут
быть и другие причины: обусловленная ориентацией трещин анизотропия, акустическая эмиссия и т.п.
Деформация материала в дилатансной области складывается из двух составляющих: из упругой деформации, которую можно получить из решения рассмотренной выше статической задачи для теории упругости и пластической деформации (расширение, обусловленное изменением пористости). Упругие деформации, по-видимому, не превышают 10-6-10-5, тогда как изменение пористости может достигать значений n 10-4. По данным GPS, высота дневной поверхности перед Байкальским землетрясением 25.02.99 (М = 5.9) в 25 км от эпицентра изменилась на 4 см. Учитывая точность GPS, поднятие на 2 см можно гарантировать. Простые подсчеты, проведенные в работе [6], показывают, что такое поднятие может быть вызвано увеличением пористости (или, что одно и то же, уменьшением плотности) на 0.0006 % и не может быть объяснено упругой деформацией. Обусловленное дилатансией поднятие дневной поверхности и упругое распирание окружающей среды определяет аккумуляцию энергии, порядок которой сравним с энергией самого землетрясения (расчеты см. в цитированной работе). Эта энергия как бы выведена из очаговой зоны, в чем и заключается аккомодационный смысл образования зоны дилатансии. Должны быть причины, по которым этот способ аккомодации исчерпывает себя. Не исключено, что формирование дилатансной области (и поднятие дневной поверхности) само является источником новых напряжений, вследствие чего диффузия напряжений в эту область оказывается невозможной.
4. Формирование мезоструктуры землетрясения
При формировании верхней дилатансной области среда фактически ведет себя как упруго-хрупкий материал. Разумеется, на формирование каждой конкретной трещины влияет конкретная блочная структура на соответствующем масштабном уровне, но эффективное описание этого процесса может быть достигнуто и в моделях сплошной среды. При росте напряжений в очаге включаются аккомодационные процессы, в которых блочная структура играет более активную роль. Речь идет об образовании областей квазипластического течения (по типу течения грунтов или сверхпластичности поликристаллов) и областей дилатансного упрочнения. Напомним, что сверхпластичность начинается с меж-зерновой диффузии дислокаций, которая переходит в межзерновое скольжение. При развитой сверхпластичности отдельные агломерации зерен текут (перемещаются или катятся) как целое. По-видимому, квази-пластическое течение является наиболее эффективным неразрушающим процессом диссипации энергии, но оно может происходить только при определенных условиях, среди которых важнейшими являются тонкозер-нистость материала, наличие флюида и температурный фактор. Поскольку возможность реализации первых
О 2 4 6 8 10 12
в, %
Рис. 1. Диаграмма поведения образцов энстатита в эксперименте по одноосному сжатию. Температурные условия экспериментов: сухие образцы: 27 — 24 °С; 29, 32 — 290 °С; 31, 48 — 500 °С; 32 — 670 °С; образец 30 (670 °С) — влажный [10]
двух условий ни у кого не вызывает сомнения, то обсуждать нужно именно последнее условие. В экспериментах с породами имеются свидетельства типичной для поликристаллов и грунтов области течения на диаграмме напряжения - деформация со сбросом напряжений. На рис. 1* такой вид имеет нижняя из диаграмм, полученная для серпентинита при температуре 670 °С и максимальном содержании флюида. Типичные температуры для средней коры (наиболее сейсмогенный слой) это 400-500 °С. Но, во-первых, температурные аномалии в сто-двести градусов вполне возможны; во-вторых, такие аномалии могут появиться именно в процессе накопления напряжений; в-третьих, течение в условиях постоянного потока энергии в отношении температуры является процессом с положительной обратной связью; в-четвертых, важное значение может иметь фактор времени: в медленных процессах течение может начаться при меньших температурах. Поэтому появление области течения вполне возможно, хотя никак нельзя исключить и ситуаций, когда оно не возникает. Понятно, что область течения (если уж она возникла) сама может обладать мезоструктурой. То есть она не обязана быть областью сплошного течения. Но если сброс напряжения исключает достаточно крупное хрупкое разрушение в пределах этой области, то она оказывается областью затишья. Совпадение области затишья с областью квази-пластического течения объясняет такое достаточно типичное явление, как реализацию землетрясения за краем области затишья.
Заметим, что в области, где происходит преимущественно квазипластическая деформация, возможны и развитие неустойчивости типа прерывистого течения, и глобальная неустойчивость. Однако эти неустойчивости не проявляются сейсмически, но могут себя проявить при деформационных измерениях. Не исключено, что
* Взят из статьи [10]
глобальная неустойчивость течения проявляет себя в виде так называемых медленных землетрясений. Прерывистость течения, в свою очередь, может влиять на время жизни хрупкой части очага (то есть служить триггером). Не представляет сомнения, что по мере развития плотных систем деформационных измерений реальная жизнь очага может быть отслежена в гораздо более полном (нежели только по сейсмологическим данным) виде.
Еще один ресурс, который может быть использован природой, чтобы избежать быстрого разрушения, — это упрочнение очаговой зоны, то есть поднятие уровня критических напряжений, что равносильно удлинению срока жизни хрупкого материала. Существует несколько способов достижения упрочнения. Для поликристаллов характерно дислокационное упрочнение (скопление дислокаций у межзерновых границ, препятствующее диффузии дислокаций). Для пористых материалов известно дилатансное упрочнение, обусловленное падением порового давления из-за дилатансного расширения пор и, как следствие, ростом эффективного давления в скелете. Далее жизнь упрочненного материала определяется временем диффузии флюидов в очаговую зону извне. Этот механизм использовался в одной из концепции землетрясений [11], ориентированной на объяснение такого известного предвестника, как бухтообразные аномалии отношения VP/VS в очаговой зоне. При стесненном деформировании дилатирующих материалов (то есть при деформировании с фиксированным объемом) возникает дилатансное упрочнение, которое рассматривалось в работах [12, 13] и которое, как и предыдущий тип упрочнения, может играть важную роль в формировании очага землетрясений. Условия стесненного деформирования либо изначально существуют в области генерации, либо же формируются одновременно с формированием приповерхностной дила-тансной зоны: ресурс увеличения объема за счет поднятия поверхности земли может оказаться исчерпаным. Наконец, известно упрочнение материалов, обязанное специфическим траекториям нагружения [14]. Конечно, хрупкое разрушение может произойти и без предварительного упрочнения. Особенно, если разрушается жесткий барьер. Но, как мне представляется, в генезисе крупных землетрясений, имеющих результатом разрушение больших объемов пород, та или иная степень упрочнения скорее всего проявляется. И, прежде всего, как дилатансное — и того и другого типа.
Упрочненный и начально жесткий блок, как и области течения, также могут быть асейсмичными, Но начально жесткий блок асейсмичен в течение всего сейсмического цикла, а в упрочненном блоке активизация сейсмической активности в типичном случае начинается еще до главного события. Так что различные области затишья могут быть идентифицированы. Они, конечно, отличаются и по своим физическим характеристикам
(модули упругости, коэффициент Пуассона, добротность).
Интересно, что чаще всего крупное землетрясение встречается не только на краю области затишья, но и на краю области форшоковой активизации, то есть на границе этих областей. Видимо контраст в реологии играет важную роль в самой возможности возникновения крупной трещины сдвига в коре.
Часто причиной снижения сейсмической активности в каком-то из фрагментов очаговой области считается упругая разгрузка вследствие локализации деформации, с которой начинается формирование собственно очага. Действительно, интенсивное трещинообразование (начинающаяся неустойчивость!) в области локализации может происходить уже на фоне падающего напряжения, что не может не понизить напряжение в окружающих областях. Но в таком случае затишье должно запаздывать по отношению к активизации, а не наоборот. В силу того, что глобальный поток энергии, подпитывающий очаговую зону, имеет характерные времена совсем другие, нежели характерные времена подготовки землетрясения, гипотеза упругой разгрузки не представляется мне обоснованной. Другое дело, что распределение напряжений вокруг зацепа (барьера, стопора и т.п.) может иметь весьма сложный характер, что неизбежно влечет появление (относительно) ненагруженных областей. Но и в этом случае диффузия напряжений из областей с повышенной интенсивностью девиаторных напряжений должна, со временем, выравнивать ситуацию. В отличие от глобального потока энергии, определяющего не только развитие конкретного землетрясения, но и существование всей сейсмоактивной области, в которой находится его очаговая зона, динамика сейсмоактивной области имеет в своем спектре характерные времена, которые сопоставимы с временами, характеризующими развитие землетрясения [15]. Это означает, что упругая разгрузка очаговой зоны (но не ее отдельного фрагмента) может наступить в результате изменения напряженного состояния в определенной части сейсмоактивной области.
Жесткие упрочненные нейтральные блоки, области квазипластического течения и представляют элементы мезоструктуры землетрясения на самом верхнем масштабном уровне. Отсюда следует важный вывод, что очаговая область является областью с очень контрастными физическими характеристиками.
Перечисленные выше элементы претендуют не более чем «на типичность», поэтому не обязаны быть представленными в каждой конкретной очаговой зоне. Конкретный сценарий развития очаговой области зависит от физических свойств слагающих ее пород и от степени их неоднородности, от конкретной блочной структуры, от РТ-условий и флюидонасыщенности. Но чтобы понять, как возникает конкретный сценарий, не-
обходимо знать все возможные состояния среды и причины, благодаря которым они достигаются.
Отмеченные состояния среды различаются по своим реологическим свойствам и возникают как различные формы реализации пластической деформации. Но среда, безусловно, участвует и в упругой деформации, которая в значительной степени определяет энергетику землетрясения. Классическая точка зрения состоит в том, что только эта энергия и существенна. И если бы не было сил гравитации и сил сжатия со стороны окружающего пространства, то такая точка зрения была бы единственно правильной. Однако наличие указанных сил позволяет среде дополнительно использовать другие обратимые формы накопления энергии, в которых участвует переупаковка элементов среды [6].
5. Сейсмологические данные
Для иллюстрации высказанных выше положений я воспользуюсь материалами, приведенными в книге [3]. Авторы приводят площадные аномалии затишья и аномалии форшоковой активизации для ряда камчатских землетрясений и землетрясения в Кобе (1995 г.). Аномалии получены при помощи разработанного Г.А. Соболевым ЯТЬ-критерия. На иллюстрациях, которые я привожу, и те и другие аномалии помещены на одних тех же рисунках. Я оставил только те части аномалий, которые имеют большую интенсивность, убрав те части, которые можно трактовать как некие промежуточные состояния. На рис. 2 даны аномалии активизации и затишья для двух землетрясений у южного тихоокеанского берега Камчатки. Хорошо видно, что области затишья и активизации располагаются рядом. Поскольку область активизации может быть только хрупким сегментом очаговой области, то естественно предположить, что область затишья имеет другую реологию. Согласно высказанной выше концепции, она может быть областью ква-зипластического течения. Важно отметить, что области затишья и области активизации обоих землетрясений примерно совпадают, что согласуется с представлением о том, что области обоих типов обязаны различным физическим характеристикам среды, которые не изменяются от землетрясения к землетрясению. И, наконец, в обоих случаях, землетрясение происходит на границе соответствующих областей.
На рис. 3 приведены аналогичные данные для Кро-ноцкого землетрясения. В отличие от рис. 2 в этом случае аномалии затишья и активизации имеют небольшое перекрытие. Но перекрытие в плане не означает еще перекрытия в пространстве. Учшывая ту роль, которую играет температурный фактор в возникновении квази-пластического течения, мы можем предположить, что области течения могут располагаться глубже области хрупкого разрушения.
Рис. 2. Аномалия активизации и затишья Камчатского землетрясений 2 марта 1992 г. (а); 13 ноября 1993 г. (б)
Рис. 3. Аномалии активизации затишья Кроноцкого землетрясения 05.12.1997 (по ГА. Соболеву)
Рис. 5. Результаты сейсмической томографии по продольным волнам
Области затишья и активизации в случае землетрясения в Кобе (1995 г) располагаются практически без пе-рекрыггия (рис. 4). Обращает на себя внимание огромная площадь, занятая областью затишья.
Группа казахских геофизиков с участием японских сейсмологов [16] провела томографическую обработку сейсмологических данных, имеющихся для окрестности линии АВ, пересекающей сейсмогенный разлом в районе гипоцентра (см. рис. 4), начиная с 1964 г по 2002 г. Эти данные были разделены на две группы: до и после землетрясения. Результаты, полученные Шаци-ловым и его соавторами, приведены на рис. 5 (распределение скорости продольных волн), рис. 6 (распределение скорости поперечных волн) и рис. 7 (отношение
Рис. 4. Аномалии затишья и активизации перед землетрясением в Кобе (17.12.1995)
350 400
К >4.5 1=~ =| У5 <3.5
Рис. 6. Результаты сейсмической томографии по поперечным волнам
Рис. 7. Отношение Ур/У8 и аномалии коэффициента Пуассона V
скоростей). По сравнению с оригинальными иллюстрациями в цитированной работе, здесь убраны концевые части профилей из-за очевидных краевых эффектов.
Интервал профиля, располагающийся в области активизации, характеризуется наличием сильной аномалией повышенных значений скоростей обеих упругих волн, что не может не свидетельствовать об упрочненном состоянии среды. Эта аномалия окружает гипоцентр будущего землетрясения. После землетрясения эти аномалии значительно ослабли (и слегка сдвинулись в сторону области затишья). Этот факт особенно заметен на результатах томографии по поперечным волнам.
Напротив, область затишья характеризуется пониженными значениями скоростей и Р- и 8-волн. После землетрясения эта аномалия слегка уменьшилась в размерах.
Особенно интересны данные по отношению скоростей, прямо связанному с коэффициентом Пуассона. Аномалия Ур/У8 в районе очага перед землетрясением отвечает низким (<0.2) значениям коэффициента Пуассона, характерным для жестких дискретных сред. Тогда как аномалия этого отношения в области затишья отвечает большим (> 3.5) значениям коэффициента Пуассона, которые и следует ожидать в ситуации квазиплас-тического течения. После землетрясения очаговая аномалия практически исчезла.
Я бы не стал рассматривать приведенные результаты прямым экспериментальным доказательством развиваемой здесь концепции. Дело в том, что точность томографических построений не совсем удовлетворительна. Некоторые значения скорости (скажем, 8 км/с для продольных волн) для таких глубин вряд ли возможны. В то же время, удивительная согласованность результатов по
всем трем видам томографии свидетельствует о том, что сами аномалии вряд ли имеют случайный характер. Скорее всего, мы имеем здесь дело с известным томографическим артефактом, когда избыточное значение в аномалии одного знака вызывает недостаточное значение в аномалии другого знака (эффект перекомпенсации аномалий).
6. Комментарий относительно поздней стадии развития землетрясения
В силу того, что завершение землетрясения не является предметом данной статьи, я ограничусь только коротким комментарием. Как известно, упрочненные материалы, в конечном итоге, разрушаются хрупким образом. Время жизни такого материала может зависеть от целого ряда факторов, из которых (помимо РТ-усло-вий и флюидонасыщенности) отметим начальную интенсивность девиаторных напряжений т1, предельное (для данных условий) значение критического напряжения т*, скорость внешней деформации для упрочненной области а, интенсивность колебательных процессов, воздействующих на среду и способствующих развитию усталостных процессов. Усталостные механизмы, действующие в среде, сказываются в том, что критическое значение т* становится монотонно убывающей функцией времени. Если среда находится в состоянии динамического равновесия благодаря, например, умеренному уровню трещинообразования, то значение т1 остается постоянным и время жизни определяется уравнением т* (/) = т1. В более общей ситуации девиатор напряжений т1 также изменяется, что приводит к уменьшению времени жизни упрочненного материала. Состояния, при которых т*(/) -т1(/) <8*, где 8* — уровень возможных внешних воздействий, по определению, являются метастабильными. Длительность пребывания в метастабильном состоянии зависит от темпа усталостных процессов, что определяется производной функции Л(/) = т*(/) -т1(/), которая, в свою очередь, зависит от темпа внешней деформации.
Можно представить две крайних ситуации: скорость внешней деформации велика, разность Л0 = т* -т1 мала (последняя может быть характерна для зон растяжения). Время жизни оказывается малым, длительность метастабильного состояния также мала. В другой крайней ситуации: низкая скорость внешней деформации, большое значение величины Л0 — теоретическое время жизни велико, длительное пребывание в метаста-бильном состоянии. Фактическое время жизни зависит от наличия триггера. Такая ситуация может оказаться более характерной для зон сжатия.
Известно, что форшоковая активность характерна далеко не для всех землетрясений. Я выскажу предположение, что форшоки возникают в ситуации умеренного темпа внешней деформации, когда в своем разви-
тии землетрясение проходит все стадии, спонтанно переходя в неустойчивость без участия внешнего триггера. Известно также, что форшоковая активность развивается по сценариям фазового перехода (с поправкой на фрактальность среды).
Таким образом, сценарий и время осуществления землетрясения на поздней стадии развития достаточно сложно зависят от сочетания ряда факторов, чем и определяется реальная сложность точного прогноза времени землетрясения. В то же время, существуют ситуации, когда краткосрочный прогноз оказывается в принципе возможным: во-первых, если удается диагностировать метастабильное состояние, то мониторинг возможных триггеров может обеспечить успешный прогноз; во-вторых, в ситуациях, когда имеется форшоковая активность.
7. Заключение
Как только в среде возникают условия для повышения касательных напряжений, одновременно развиваются аккомодационные процессы, способствующие «выживанию» среды. В частности, начинается диффузия напряжений в окружающее пространство. Этот процесс не столь эффективен как излучение упругих волн (хотя и он сопровождается акустической эмиссией в связи с образованием небольших трещин). В результате этого значительная часть накапливаемой энергии, частично расходуется на диффузное трещинообразование в более широкой (но конечной) области, тяготеющей к дневной поверхности, частично консервируется в этой области благодаря явлению трещинной дилатансии. Часть консервированной энергии связана с упругим сжатием окружающей дилатансную область среды, и, по меньшей мере, такая же часть связана с поднятием прилегающих к дневной поверхности масс. На последнее хотелось бы обратить особенное внимание: всякая положительная дилатансия связана с перемещением масс против силы тяжести. Фактически, в дилатирую-щей области О всегда есть три формы накопления энергии: упругая деформация внутри О, упругое сжатие окружающего пространства, перемещение части своей массы вверх.
Следующий путь аккомодации — включение мощных диссипативных процессов. Для такого поликрис-таллического материала, как горные породы, диссипативным процессом является квазипластическое течение, по физическому смыслу совпадающее с явлением сверхпластичности для металлов. Критическим параметром здесь является температура. Температуры, отвечающие интервалу глубин сейсмогенного слоя коры, в среднем недостаточны для реализации такого процесса, однако, и не слишком далеки от них, поэтому в условиях сильной концентрации энергии возникновение «затравочных» аномалий вполне возможно. Хотелось бы отме-
тить, что в условиях сверхпластичности, как структурной, так и формационной, только часть энергии идет на интенсивное выделение тепла. Значительная часть энергии идет на фрагментацию зерен (то есть на образование поверхностной энергии), а также на твердотельные фазовые переходы.
Принципиально другим путем повышения энергоемкости среды является ее упрочнение. Известны различные механизмы упрочнения блочных, пористых, по-ликристаллических сред. И все они, в той или иной мере, могут быть задействованы. Важную роль может играть дилатансное упрочнение, наблюдаемое в условиях стесненной деформации блочных систем и определяемое ужесточением контактов. Фактически, образование «зацепа» при stick-slip режиме есть простейший пример образования упрочненной области именно по указанному механизму: если бы движущаяся область не была стеснена, то она попросту обогнула бы имеющееся препятствие. В результате возникает зацеп. То новое, что утверждается здесь, состоит в том, что процесс такого упрочнения может происходить на различных уровнях масштабной иерархии. Грубо говоря, предельная прочность блочной системы — это прочность монолита. Вот этот-то резерв в какой-то мере и используется средой. В дальнейшем, ужесточенные контакты являются теми локальными участками, где концентрируются интенсивные процессы пластической деформации, в конечном итоге приводящие к неустойчивости типа хрупкого разрушения. Дилатансное упрочнение материала является еще одной формой аккумуляции энергии в дилатирую-щих областях.
Землетрясение, сейсмический цикл допускают различные по форме, но близкие по физическому смыслу интерпретации происходящего. Можно считать, что суть состоит в сбросе (рассеивании) значительной части аккумулируемой энергии в окружающее пространство и таком изменении структуры блочной системы, которая минимизирует интенсивность девиаторных напряжений. Можно сказать и так: сейсмический цикл состоит в активизации и релаксации блочных систем. Об активизации геологической среды говорят часто. Но далеко не всегда за этим видится конкретное содержание используемого понятия. Оно включает аккумуляцию энергии и реологические (точнее, физико-химические) процессы, уменьшающие значение T*(t ). Как мы видели, существует несколько чисто механических, обратимых форм аккумуляции энергии в дилатирующих материалах. Существуют, конечно, и другие формы. Достаточно указать на изменение фазового состояния флюида из-за вариации температуры. Но флюид является и исключительно эффективным агентом, влияющим на изменение прочностных свойств материала. Выявление всех возможных форм активизации среды в условиях земной коры является одной из главных задач физики очага.
Работа выполнена в рамках программы 13 РАН «Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы».
Литература
1. Гольдин С.В., Дядъков П.Г., Дашевский ЮА. Стратегия прогноза землетрясений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне // Геология и геофизика. - 2001. - Т. 42. - № 10. - С. 1484-1496.
2. Криштал М.М. Неустойчивость и мезоскопическая неоднородность пластической деформации (аналитический обзор). Часть II. Теоретические представления о механизмах неустойчивости пластической деформациии // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 5. -С. 31-46.
3. Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. - М.: Наука, 2003. - 270 с.
4. Журков С.Н., КуксенкоВ.С., Петров В.А. и др. О прогнозировании
разрушения горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. -1977. - № 6. - С. 11-18.
5. Mulargia F., Castellaro S., Ciccotti M. Earthquakes as three stage processes // Geophys. J. Int. - 2004. - V. 158. - P. 98-108.
6. Гольдин С.В. Дилатансия, переупаковка и землетрясения // Физика
Земли. - 2004. - № 10. - С. 37-54.
7. Никитин А.Н., Иванкина Т.И. Нейтронография в науках о Земле / / Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2004. - Т. 35. -Вып. 2. - С. 348^07.
8. Митлин В.С., Николаевский В.Н. Нелинейная диффузия тектони-
ческих напряжений // ДАН СССР. - 1990. - Т. 315. - № 5. -С. 1093-1096.
9. Алексеев A.C., Белоносов A.C., Петренко B.E. Определение инте-
грального предвестника землетрясений с использованием многодисциплинарной модели и активного вибросейсмического мониторинга // Труды ИВМиМГ: Математическое моделирование в геофизике. - Новосибирск: ИВМиМГ, 1998. - С. 3-50.
10. Чиков Б.М., Каргополов C.A., Ушаков Г.Д. Экспериментальное стресс-преобразование пироксенита // Геология и геофизика. -1989. - № 6. - С. 75-79.
11. Nur A. Dilatancy, pore fluids and premonitory variations of fp/fs travel times // Bull. Seism. Soc. Amer. - 1972. - V. 62. - P. 1217-1222.
12. РевуженкоА. Ф., Стажевский С.Б., ШемякинЕ.И. О структурно-дилатансионной прочности горных пород // ДАН СССР. - 1989. -Т. 305. - № 5. - С. 1077-1080.
13. Гольдин C.B., Колесников Ю.А., Полозов C.B. Распространение акустических волн в грунтах в условиях изменяющегося сдвигового напряжения (вплоть до разрушения образцов) // Физ. мезо-мех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 105-113.
14. Аннин Б.Д., Жигалкин В.М. Поведение материалов в условиях сложного нагружения. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. -342 с.
15. Дядьков П.Г., Мельникова В.И., Cаньков B.A., Назаров Л.А., Назарова Л.А., Тимофеев В.Ю. Современная динамика Байкальского рифта: Эпизод сжатия и последующее расширение в 19921996 гг. // Докл. РАН. - 2000. - Т. 372. - № 1. - С. 99-103.
16. Шацилов B., Такаяма X. и др. Вариации Vp/Vs в очаговой зоне землетрясения в Японии 17 января 1995 // Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии: Труды V Казахстано-Китайского международного симпозиума 24-27 сентября 2003 г. - Алматы, 2004. - C. 48-58.
