CC BY
46
УДК 622.831 Ю.О. Кузьмин
ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ИЗУЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СОВРЕМЕННОЙ ГЕОДИНАМИКЕ
Семинар № 2
Учитывая большую актуальность геодинамических исследований и реальное использование их результатов в различных сферах науки и практики, представляется необходимым рассмотрение некоторых проблемных аспектов идентификации результатов наблюдений в современной геодинамике на примере соотношения региональных и локальных деформационных процессов.
Известно, что наблюдаемыми (измеряемыми) величинами в геодинамике являются именно движения, а напряжения и деформации (как отношение перемещений к базе измерений) определяются по результатам вычислений. Поэтому в геодинамике (особенно современной) движения являются и объектом наблюдений, и объектом интерпретации одновременно.
Идентификация является базовой процедурой установления адекватности принятых модельных представлений при интерпретации результатов наблюдений [Могилевский, 1999]. При этом следует иметь в виду, что при установлении степени адекватности необходимо оперировать тождественными категориями. Так, например, нельзя отождествлять абсолютные и относительные понятия в современной геодинамике.
Особо следует остановиться на трактовке термина - «современный».
Его, как правило, определяют двояким образом: либо подчеркивая инструментальный характер изучения (фиксации) движений, либо отмечая длительность протекания процессов в сравнении с геологическими масштабами времени.
В данном случае возникает двойственность толкований основного предмета исследований в современной геодинамике. Так, в случае полной унаследованности движений от прошлых геологических эпох, можно инструментально зарегистрировать движения, которые по длительности протекания не относятся к разряду современных.
Кроме того, существует определенная относительность методов наблюдений к свойствам исследуемых объектов.
Так, если измерять с помощью повторных нивелирований такой, типичный для современной геодинамики процесс, как земноприливные деформации, то существует ограничение по чувствительности и временной детальности наблюдений.
В случае, когда предпринимается попытка измерения движений плит или блоков земной коры наклономерами и деформографами, то возникает ограничение по пространственному масштабу наблюдений.
В целом следует отметить, что существующие понятия, которыми опе-
рируют в современной геодинамике, а также методы изучения процессов в основном являются относительными.
Для демонстрации этого положения можно рассмотреть следующий мысленный эксперимент. Пусть на земной поверхности имеются два (А и Б) прочно закрепленных репера (два пункта наблюдений), которые ориентированы по азимуту «север - юг» таким образом, что пункт А расположен севернее пункта Б. Можно показать, что одной и той же деформации «укорочения» соответствует пять принципиально различных по кинематике ситуаций:
1) пункты А и Б равномерно перемещаются навстречу друг другу;
2) пункт А перемещается на «юг», а пункт Б неподвижен;
3) пункт Б перемещается на «север, а пункт А» неподвижен;
4) пункт А и пункт Б перемещаются на «север», но скорость перемещения пункта А меньше, чем пункта Б;
5) пункт А и пункт Б перемещаются на «юг», но скорость перемещения пункта Б меньше, чем пункта А.
Таким образом, абсолютному понятию «удлинение» соответствуют пять комбинаций относительных горизонтальных перемещений, которым соответствуют различные геодинами-ческие обстановки.
Аналогичным образом выглядит ситуация и с вертикальными смещениями земной поверхности. В этом случае, например, абсолютному понятию «наклон на север» будет соответствовать пять различных ситуаций с относительными вертикальными смещениями поверхности:
1) Пункт Б поднимается, а
пункт А опускается;
2) Пункт А опускается, а пункт
Б неподвижен;
3) Пункт Б поднимается, а
пункт А неподвижен;
4) Пункт А и пункт Б поднимаются, но скорость поднятия пункта А меньше, чем пункта Б;
5) Пункт А и пункт Б опускаются, но скорость опускания пункта Б меньше, чем пункта А
Следует подчеркнуть, что это утверждение справедливо в первую очередь для систем наблюдений при малом количестве станций или для коротких профилей с малым количеством наблюдательных пунктов. В случае, когда имеют место профильные наблюдения с достаточно высоким пространственно-временным разрешением, то имеется возможность полностью зафиксировать аномалию в пределах измерительной системы и определить абсолютное значение аномального смещения земной поверхности. Так, при локальных просадках земной поверхности можно считать, что амплитуда аномального изменения, отсчитываемая от «нуля», определяемого точностью наблюдений, есть абсолютное вертикальное смещение земной поверхности, допускающее однозначное кинематическое объяснение.
Причиной такой неоднозначности является то, что практически все методы измерений (геодезические и геофизические), применяемые в современной геодинамике, являются относительными.
Так, если имеет место фиксация унаследованного движения, например, вызванного конвекцией в мантии, методами современной геодинамики (геодезическими, сейсмологическими и т.п.), то вследствие ограниченности (кратковременности) периода наблюдений возникает принципиальная невозможность решения обратных задач (как кинематики, так и динамики). То есть, невозможна адекватная интерпретация результатов, обусловленная не полной идентифи-
кацией свойств наблюдаемого объекта. Для однозначной интерпретации необходимо, чтобы «начало» и «завершение» наблюдаемого процесса целиком укладывалось в интервал между повторными циклами наблюдений.
В связи с этим, одним из главных условий реальной трактовки результатов наблюдений является соизмеримость длительности протекания процессов с длительностью самого измерения. В этом случае совершенно необходимо четко следовать принципу наблюдаемости Нильса Бора: «существующим считается лишь то, что наблюдаемо или может быть сделано таковым», который был разработан именно в тех областях естествознания, в которых базовые свойства объекта не всегда доступны прямому наблюдению.
В самое последнее время появилась возможность использовать в современной геодинамике абсолютные методы измерений с использованием спутниковых технологий (GPS-системы). Однако к настоящему времени, из-за отсутствия многократных GPS-измерений с повышенной пространственно-временной детальностью (расстояние между пунктами - 0.1 -0.5 км, интервал между повторными наблюдениями - 0.1 - 0.5 года) и дефиците информации по совмещенным (спутниковым и наземным) системам наблюдений, возникают существенные трудности при оценке степени адекватности, получаемых спутниковыми методами, результатов при анализе соотношения региональных и локальных процессов.
Следствием этого стало то, что практически все исследователи, которые изучают современные геодина-мические процессы методами GPS наблюдений, прибегают к относительному методу измерений. Иными
словами, выбирается пункт, которые идентифицируется, как «твердый» (неподвижный), а все смещения на остальных пунктах вычисляются, по отношению к исходному. В этом смысле спутниковая геодезия ничем не отличается от наземной, кроме более легкой процедуры процесса измерения и независимости точности наблюдений от расстояния.
Именно таким способом были получены основные характеристики о скоростях движения литосферных плит, подвижках вдоль (и поперек) крупных геоструктурных элементов строения земной коры и других региональных геодинамических процессов.
Однако, как показывают результаты, полученные на геодинамических полигонах, методами с повышенной пространственно-временной детальностью [Кузьмин, 1999, 2004], величины и знаки скоростей современных движений земной поверхности, полученные наземными и спутниковыми методами, зачастую противоречат друг другу.
Так, например, многолетние наземные, геодезические наблюдения (более 40 лет) за горизонтальными и вертикальными движениями земной поверхности в Копетдаго-Каспийском регионе полностью противоречат спутниковым наблюдениям о скоростях сближения Туранской и Иранской плит, а также правостороннего сдвига вдоль Передового разлома Копетдага.
Региональные исследования проводились вдоль протяженных (50-100 км) нивелирных профилей, которые прокладывались с учетом особенностей глубинного строения земной коры и с максимальным информационным охватом основных геоструктурных элементов региона (горное сооружение, прогиб, платформа). Час-
Рис. 1 Схема тестовой деформационной площадки «Гаудан»: а - нивелирные секции; б - светодальномерные линии; в - разломная зона
тота опроса наблюдений в различные периоды составляла от 1 раза в 3-5 лет до 2 раз в год.
Локальные исследования проводились в пределах активных разломов и, в первую очередь, в зоне Передового разлома Копетдага. Нивелирные и светодальномерные наблюдения проводились на специально организованных тестовых деформационных площадках. Длины нивелирных профилей и светодальномерных линий на этих площадках варьировались в пределах 1-10 км. Частота опроса, в среднем, составляет от 1 до 2 раз в месяц для нивелирных наблюдений и порядка 1-2 раза в неделю для светодальномерных измерений.
Общая длительность наблюдений на отдельных приразломных участках составляет 30-40 лет.
Ниже рассмотрены результаты нивелирных и светодальномерных наблюдений на специально организованной деформационной площадке «Гаудан», расположенной в Ашхабадском районе, в пределах Передового разлома Копетдага. (Главного Копет-дагского надвига) [Сидоров, Кузьмин, 1989; Кузьмин, 1998, 1999]. Основной целью данной работы явилось установление характера вертикальных и горизонтальных деформаций в зоне Передового разлома, анализа региональных закономерностей современной кинематики в зоне динамического взаимодействия Туранской и Иранской плит.
На рис. 1 представлена схема организации тестовой деформационной площадки «Гаудан». Она представляет собой нивелирный профиль, состоя-
37 88
37.87
37 86
37 85
37 84
37 83
37 82
58.35 5836 58.37 5838 58 39 5840 5841
I--1--1------1-----1
0 12 3
кт
о о а
•-----• б
в
щий из двух секций, одна из которых (1931 - А) расположена непосредственно в зоне разлома («приразломная»), а другая («блоковая») в бортовой части (1931-1932) и две светодальномерные линии, одна из которых пересекает разломную зону (Ь 3330), а другая находится в бортовой (Ь 1532) части.
Нивелирные наблюдения проводились в полном соответствии с методикой I класса. Частота опроса, в основном, составляла 1 раз в месяц. Максимальная временная детальность светодальномерные наблюдений достигала 1-2 раз в сутки. Наблюдения проводились по двум линиям квазисинхронно с одного пункта на два отражателя.
На рис. 2 показаны результаты нивелирных наблюдений за период наблюдений с января 1965 года по февраль 2007 года. Учитывая, что
Рис. 2. Временной ход вертикальных смещений земной поверхности: а - «бортовая» секция (1 = 4 км); б - «приразломная» секция (1 = 0,6 км)
уи анв
«бортовая» секция имеет длину порядка 4 км, а приразломная - 0.8 км, то для удобства сопоставительного анализа, данные превышений вертикальных отметок реперов, переведены в угловую меру, путем деления вертикальных превышений на длину нивелирных секций. По существу данная система измерений представляет собой два, расположенных друг за другом, длиннобазисных наклономеров. Из графика следует практически полное отсутствие трендовых изменений, как в зоне разлома, так и в бортовой части. При этом видно, что на фоне практического отсутствия тренда имеют место знакопеременные вариации движений, которые достигают скоростей порядка 10-7 в год для бортовой части и 10-5 в год для зоны разлома.
Как известно, геодинамика Копет-дагского сейсмоактивного региона обусловлена динамическим взаимодействием Иранской и Туранской плит. Основной зоной коллизии (сближения) этих плит является Передовой разлом Копетдага (Г лавный Копетдагский надвиг). Естественно, что подобная кинематика плит, должна приводить к систематическому (с юга на север) надвигу Копетдага на Туранскую плиту вдоль зоны Передового разлома Копетдага, а так же к постоянному правостороннему сдвиговому перемещению вдоль этого разлома. При этом среднегодовые скорости подобных смещений должны иметь порядок первых сантиметров в год. На это указывают результаты спутниковых измерений, проведенных на разнесенных друг от друга (более 500 км) пунктах вРБ-наблюдений, которые выявили скорость коллизии Иранской и Туранской плит порядка 30 мм в год [Стеблов, Фролов, Куксенко, 2005].
Исходя из приведенной региональной геокинематической характеристики движений, на «бортовой» нивелирной секции должен наблюдаться систематический наклон земной поверхности на север. На «разломной» секции этот наклон должен происходить синфазно, но с гораздо большей амплитудой. Однако, как явствует из рис. 2 этого не происходит.
Очевидно, что отсутствие систематического изменения в ходе вертикальных смещений означает, что в рассматриваемый промежуток времени (более 40 лет), значимых (на уровне относительных деформаций порядка 10-7) вариаций регионального поля напряжений во времени не происходило.
Аналогичная картина складывается и при анализе результатов режимных светодальномерных наблюдений. На рис. 3 представлен временной ход среднемесячных значений горизонтальных смещений земной поверхности за период с 1977 по 2007 год. Вновь имеет место полное отсутствие систематического тренда. Особенно интересны результаты измерений по линии Ь 3330. Согласно изложенной выше региональной геокинематической схемы данная линия должна испытывать систематическое удлинение со среднегодовой скоростью порядка первых сантиметров в год, в соответствии с правосторонним сдвигом в зоне Передового разлома Копетдага. Так как этого не происходит, то очевидно, что региональные характеристики напряженно-деформированного остаются неизменными во времени на уровне относительных деформаций порядка 2-3-10-6 , что соответствует точностным возможностям данного метода измерений.
Кроме того, весьма примечательно, что величины вариаций во времени горизонтальных смещений земной
Рис. 3. Временной ход горизонтальных движений земной поверхности: а - свето-дальномерная линия Ь1532; б -светодальномерная линия
Ь3330
знакопеременные флуктуации, приуроченные непосредственно к разлому, в силу их резкого затухания с расстоянием от разлома.
Таким образом, результаты специально поставленных инструментальных наблюдений, проведенных с повышенной пространственно-временной детальностью, показывают, что за последние 30-40 лет в Ко-петдагском сейсмоактивном регионе не наблюдается унаследованная картина региональной кинематики основных геострук-турных элементов.
Примечательно, что аналогичная картина наблюдается и по ряду других нивелирных профилей пересекающих Передовой разлом Копетдага в полосе (вдоль простирания разломной зоны) шириной порядка 50 км.
В тоже время, выявлена интенсивная динамика разломных зон параметрически индуцированного происхождения, которая формируется в обстановке квазистатического регионального нагружения [Кузьмин, 1999, 2002, 2004].
Следует также отметить, что аналогичное прямое использование данных вРБ-измерений для анализа современной динамики региональных геоструктур привело к тому, что не удалось обнаружить значимых смеще-
поверхности имеют примерно одинаковую амплитуду, как вдоль линии, пересекающей разлом, так и вдоль линии, расположенной в консолидированной части.
Это означает, что деформационные процессы в зоне разлома носят крайне локальный характер, что и подтверждается результатами измерения вертикальных смещений земной поверхности (рис. 2). Действительно, если оценивать размер зоны проявления аномальных деформаций по данным о вертикальных движениях, то оказывается, что она имеет порядок 1 км. Поэтому, естественно, что вдоль светодальномерной линии длинной 3330 м не выявляются локальные,
ний по знаменитому Таласо-Ферганс-кому разлому [Зубович А.В. и др., 2004]. Это и не удивительно, поскольку в указанном случае расстояния между пунктами наблюдений составляли 50-80 км.
Вместе с тем, имеется принципиальная возможность в существенной мере улучшить степень идентификации современных геодинамических процессов, наблюдаемых с помощью спутниковых методов и наметить пути рационального сочетания наземных и космических методов измерения современных деформационных процессов.
Из основ классической механики (принцип Коши-Гельмгольца) следует, что любое движение можно представить, как параллельный перенос и вращение участков среды, как абсолютно жестких тел и их деформаций (объемных и сдвиговых). В таком случае, при идентификации движений литосферных плит, которые должны перемещаться, как жесткие, нужно четко разделять скорости «жестких» смещений (например, горизонтальных) от смещений земной поверхности, обусловленных деформационными процессами, происходящими внутри самой плиты.
Естественно, что при относительном способе измерений невозможно разделить один тип движений от другого. При абсолютном же способе, можно разделить эти движения, проводя соответствующую редукцию данных.
Рассмотрим для примера случай 4, приведенный выше. Примем за положительное движение литосферной плиты на север.
Так как, по определению, перемещения литосферных плит должны рассматриваться, как жесткие, то: ^А(Ж) = ^Б(Ж), где: Уа(Ж) и Уб(Ж) - скорости движения литосферной плиты,
как жесткого тела в пунктах А и Б, соответственно.
Поскольку пункт А перемешается в данном случае медленнее, чем пункт Б, то полагая деформацию укорочения однородной, можно записать сле-дуюшее тождество для скоростей «деформационных» смешений УА(д и ^Б(Д):
^Б(Д) = - VA(0) .
В абсолютной системе координат скорости смешений пункта А и Б будут в этом случае равны, соответственно:
Va = V а(Ж) - Vact (1)
VБ = V Б(Ж) + VБ(Д (2)
Тогда, комбинируя с наблюденными скоростями движений, измеренными в точках А и Б, можно идентифицировать скорость жесткого пере-мешения литосферной плиты и скорость «деформационного» перемеше-ния:
Va^) = ^(Ж) = 0.5 (Va + Vb) (3)
Vew = - Vaod = 0.5(Va - VБ ) (4)
Таким образом, проводя последовательное редуцирование по близле-жашим парам точек, можно построить раздельные схемы современных горизонтальных смешений, соответствую-шие различным составляющим обшего процесса движения.
Используя этот подход, были редуцированы данные по GPS - наблюдениям в Центральной Калифорнии и о. Хоккайдо и выявлены величины «жестких» смешений и собственно деформаций, обусловленных процессами подготовки землетрясений и современной активизацией разломных зон.
Подобные процедуры в механике деформируемых сред носят название формализма Эйлера. В отличие от формализма Лагранжа, при котором исследуются изменения величин, опи-сываюших движения для каждой из индивидуальных точек среды, форма-
лизм Эйлера исследует движение среды для каждой из точек пространства, в которые могут «приходить» различные индивидуальные точки среды [Зельманов, 1948; Седов, 1973].
Сущность этих подходов можно проиллюстрировать на примере изучения движения атмосферы. Соответствующие метеоданные могут быть получены двояким путем: со стационарных, наземных метеостанций и с подвижных метеозондов. При этом подвижные метеозонды (индивидуальные точки) перемещаются вместе с воздушной средой и, поэтому, движение атмосферы описывается в данном случае с позиции формализма Лагранжа. При определении параметров движения атмосферы на каждой стационарной метеостанции используется формализм Эйлера.
При исследовании современных движений земной поверхности ситуация диаметрально противоположна. Относительные методы (спутниковые и наземные) геодезии и геофизики (наклонометрия и деформо-графия) изучают кинематику индивидуальных точек геологической среды. Спутниковые же методы, работающие в абсолютном режиме, имеют возможность исследовать движение геосреды для каждой из точек пространства.
В этой связи, очевидно, что результаты наблюдений, измеренные относительными методами, естественным образом описываются в рамках формализма Лагранжа, поскольку по этим данным невозможно отделить, собственно движения самой среды (жесткой литосферой плиты), от локальных движений внутри плиты. Естественно, что результаты измерений, полученные абсолютными методами, должны использовать формализм Эйлера, что и продемонстрировано формулами (1-4).
Известно, что точность GPS измерений не зависит от расстояния между пунктами наблюдений. Однако, это, зачастую, порождает некую иллюзию того, что, и анализ результатов измерений автоматически не зависит от густоты наблюдательной сети.
Вместе с тем, хорошо известно, что, на результаты определения региональных скоростей движений крупных геоструктурных элементов среды спутниковыми методами, когда расстояния между наблюдательными пунктами составляют десятки и сотни километров, сушественное влияние оказывают локальные, суперинтен-сивные деформации земной поверхности в разломных зонах [Кузьмин, 1996]. Эти процессы могут приводить (и приводят!) к принципиальному искажению региональных характеристик движений, таких, например, как скорость и направленность.
Действительно, если в окрестности пункта GPS- наблюдений расположена разломная зона, в пределах которой имеют место локальные, прису-шие собственно этой зоне, аномальные деформационные процессы, то при определении векторов и скоростей движений, полученных осреднением на больших базах измерений, можно локальных характеристики движений идентифицировать, как региональные.
В подобной ситуации совершенно необходимо проводить совместный анализ и сочетание спутниковых и наземных, региональных и локальных методов наблюдений за деформациями земной поверхности.
Из приведенного анализа следует ряд важных выводов:
• Объективность определения базовых характеристик (скорость, направленность и масштабы проявления) современных геодинамических процессов принципиальным образом
зависят от пространственно-временного масштаба наблюдательных систем и способа измерений.
• Для идентификации характеристик региональных деформационных процессов методами GPS - измерений необходима соответствующая редукция наблюденных данных на предмет разделения «жесткой» и «деформационной» составляющих дви-
1. Зельманов А.Л. Применение сопутствующих координат в нерелятивистской механике // ДАН СССР. - 1948. - Том ЬХ1, №6. - С. 993 -996.
2. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании.// М.: АЭН. - 1999. -220 с.
3. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломных зон // Физика Земли, №10, 2004, С.95-112.
4. Кузьмин Ю. О. Проблема идентифи-
жений, а также тщательный учет и селекция современной, локальной динамики разломов.
• Эффективность и адекватность получаемой информации о современном геодинамическом состоянии недр в существенной мере зависит от наличия совмещенных систем абсолютных и относительных геодезических наблюдений.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
кации деформационных процессов в современной геодинамике. В кн. Труды Международного научного конгресса «Гео-Сибирь-2007» (25-27 апреля 2007 г.), - Новосибирск. СГГА, 2007. - том 1, часть 2, С. 250-255.
5. Могилевский В. Д. Формализация динамических систем. - М.: Вузовская книга, 1999. - 216 с.
6. Седов Л.И. Механика сплошной среды: В 2 т. // М.: Наука, - 1973. - Т.1. - 536 с. и:гл
— Коротко об авторе
Кузьмин Ю. О. - доктор физико-математических наук, профессор, зав. лабораторией современной геодинамики Института Физики Земли РАН, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Н. Попов.
