CC BY
57
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящее время в печати практически отсутствуют работы на данную тему. Скорее всего, из-за некоторой «экзотичности» такой среды передачи, как МОВ, исследователи еще не проработали экспериментальную сторону вопроса, но в дальнейшем, по-видимому, следует ожидать лавинообразного нарастания публикаций по данной проблеме [7, 8].
Библиографический список
1. Бабишин, В.Д. Синтез технологии автоматизированного управления космическими аппаратами на основе применения полимодельного и многокритериального подхода / В.Д. Бабишин, В.И. Козлов, Ю.Е. Левицкий и др. // Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг: сб. науч. тр. - Вып. 1. - 2001. - С. 53-61.
2. Перминов, С.В. Анализ влияния ионизирующих излучений космического пространства на работоспособность и срок службы элементов волоконно-оптических систем передачи данных / С.В. Перминов // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2003. - Т 8. - № 9. - С. 40-44.
3. Власова, Н.А. Система мониторинга радиационных условий в магнитосфере Земли на российских космических аппаратах связи, навигации и телевидения / Н.А. Власова, В.И. Верхотуров, О.С. Графодатский и др. // Космические исследования. - 1999. - Т. 37. - № 3. - С. 245-255.
4. Беляев, РА. Применение метода оптической рефлекто-метрии для исследования радиационной устойчивости волоконных световодов / РА. Беляев, А.И. Бондарев, И.И. Долгов и др. // Радиотехника. - 1991. - № 8. -С. 87-90.
5. Базаров, Е.Н. Электродинамика волоконно-оптических световодов: Монография / Е.Н. Базаров, В.Д. Бурков, А.Д. Шатров. - М.: МГУЛ, 2004. - 148 с.
6. «All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding» October 1, 1996 / Vol. 21, No. 19 / OPTICS LETTERS.
7. Girard S., Yahya A., Boukenter A., Meunier J.-P, Kristiansen R.E., Vienne G. y-radiation-induced attenuation in photonic cristal fiber. 2002. Electronics Letters., Sep. 2002, v.38, p.p. 1169-1171.
8. A.F. Kosolapov, I.L. Nikolin, A.L. Tomashuk at all. 2005. Inorganic Materials, 2005, vol. 40, N. 11, p.p. 1229-1232.
СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ, ИНДУЦИРОВАННЫЙ СЛАБЫМИ ФОНОВЫМИ СИЛОВЫМИ ПОЛЯМИ
Г.А. ГУСЕВ, вед. науч. сотр. ФИАН, канд. физ.-мат. наук,
И.Л. ГУФЕЛЬД, гл. науч. сотр. ИФЗРАН, д-р физ.-мат. наук
Основой развернувшейся в последние годы дискуссии о возможности или невозможности прогноза сильных землетрясений послужил известный негативный опыт мониторинга сейсмической опасности, где главным было обнаружение «аномалий» в каком-либо поле. Доказательством «предвестникового» характера этих «аномалий» являлось примерное соответствие времени (от суток до многих лет) и места (до тысячи километров) наиболее сильного землетрясения, причем причинно-следственные связи между ними не рассматривались. Поэтому прогноз землетрясений пытались и пытаются строить на основе анализа «похожести» аномалий, предшествовавших другим землетрясениям. Такое направление поиска предвестников заводило проблему прогноза в тупик. С другой стороны, лабораторные модели подготовки сильных землетрясений (модель лавинно-неустойчивого трещинообразования, дилатантно-диффузионная модель, модели консолидации и неустойчивого скольжения вдоль разлома - stick-slip) не учитывали реальные условия в геологической среде
и адекватно не отражали протекание сейсмического процесса. Основанием для пересмотра представлений о процессе подготовки сильных землетрясений служил не столько негативный опыт мониторинга сейсмической опасности, сколько новые данные мониторинга параметров земной коры, имеющие фундаментальный характер. В определенной мере отражением этого стали представления о геологической среде (земной коре) как среде с критическими условиями [8] и «самоорганизованной критичностью» [12]. Фактически речь шла о среде с предельной энергонасыщенностью (по упругой энергии), характерной чертой которой является неустойчивость различных параметров (сейсмических, геофизических, геохимических). В то же время необходимо было понять причины неудач в работах по прогнозу и поставить вопросы, которые следуют из данных новейшего мониторинга. К основным вопросам следует относить физику процессов, приводящих к предельной энергонасыщенности среды и слабым вариациям параметров среды вблизи предельного уровня, а также природу
28
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
процессов перехода в этих условиях от фонового сейсмического режима к режиму подготовки крупномасштабных структур разрушения.
О случайной связи «возмущений» различных полей с очагом землетрясения
Мониторинг в сейсмоактивных регионах показал, что действительно перед рядом сильных землетрясений наблюдали возмущения различных полей: режима слабой сейсмичности, наклонов и деформаций земной поверхности, времени пробега сейсмических волн, уровня подземных вод, химического состава флюида, проводимости среды, геомагнитных полей и др. [6, 10]. Для обоснования связи этих возмущений с очагом будущего землетрясения была принята парадигма, основанная на классической механике разрушения образцов [10]. Подготовка сильного землетрясения должна сопровождаться ростом напряжений от весьма малых до предельных (сс). Полагали, что весьма медленный и устойчивый рост напряжений не может быть незамеченным, необходима лишь достаточно плотная сеть мониторинга различных параметров среды. Считали , что при достижении с «0,5сс в среде, так же как и в образцах, начинаются процессы трещинообразования, то есть сейсмические процессы. С их началом связывали появление возмущений различных полей, отмеченных выше. Дальнейший рост упругих напряжений, по аналогии с деформированием лабораторных образцов, должен был приводить к последовательным стадиям активизации, сейсмического затишья и акту землетрясения [10]. В рамках этой парадигмы возмущение любого из параметров, даже если это был только один параметр (чаще так и было), стали называть предвестником землетрясения. Причем возмущение ретроспективно относили к наиболее сильному событию, даже если менее сильное событие в этот период времени происходило на меньшем расстоянии от точки наблюдения (такова была практика анализа).
Довольно длительное время доказательством достоверности связей между наблюдаемыми возмущениями геофизических и геохимических полей с очагом землетрясения служили эмпирические соотношения между временем появления возмущения, магнитудой события и эпицентральным расстоянием точки наблюдения. Коэффициент корреляции между этими параметрами для «долгосрочных» и «среднесрочных»
предвестников был достаточно высок (0,6-0,9), а для «краткосрочных предвестников» эти связи были неустойчивыми [5, 9]. Как оценивать эти данные? Достоверность эмпирических соотношений между временем проявления выбранного возмущения, магнитудой события и эпицентральным расстоянием точки наблюдения могла определяться только правильностью отождествления данного возмущения как предвестника конкретного землетрясения. На самом деле отсутствовала априорная информация о том, что выбранное возмущение является предвестником данного землетрясения. Было известно только положение возмущения одного из параметров в пространстве и времени [11].
В связи с этим была проведена проверка достоверности известных эмпирических соотношений (время проявления возмущений, магнитуда события, эпицентральное расстояние точки наблюдения). Анализ проводился для реального каталога землетрясений Средней Азии (магнитуда М > 4), случайных координат возмущений и времени их проявления. Оказалось, что коэффициент корреляции был очень высоким (0,7 и выше). То есть возмущения любого параметра среды можно принять за предвестник землетрясения. Следовательно, сама методология анализа была ошибочной. Фактически то, что требовалось доказать, закладывалось в исходные предпосылки парадигмы о континуальной модели среды [11] .
На случайность связей фиксируемых геофизических и гидрогеохимических возмущений параметров среды с процессами подготовки землетрясений указывают также другие факты: краткосрочные возмущения в среднем проявлялись на больших расстояниях от очага, чем среднесрочные; многие возмущения были не чувствительны к акту распада очага; особенности возмущений различных полей, контролируемые в одной локальной зоне литосферы и обусловленные одним действующим фактором - деформацией в данный период, противоречили друг другу.
Наблюдаемые возмущения различных полей литосферы отражают реакцию неоднородной среды на действие внешних и внутренних сил, однако доказательств их предвестнико-вого характера для конкретных землетрясений получено не было. Эта неопределенность являлась следствием анализа, выполняемого в рамках континуальной модели среды и парадигмы о медленном накоплении предельных напряжений
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
29
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
в больших объемах [10]. В то же время в результате многолетнего мониторинга сейсмической опасности получены данные, показывающие, что геологическую среду и процессы в ней необходимо рассматривать с других позиций, где представления о континуальной среде становятся весьма ограниченными. Было показано, что фундаментальным свойством литосферы является ее предельная энергонасыщенность. Отражением этого свойства литосферы является закон повторяемости Гутенберга - Рихтера, на что обратил внимание еще М. Садовский [8]. Учет предельной энергонасыщенности среды и непрерывных воздействий на нее слабых внутренних и внешних полей существенно меняет направления исследований сейсмического процесса и выдвигает на первый план такую особенность среды, как нестабильность, отражающуюся в непрерывной изменчивости ее параметров.
Предельная энергонасыщенность литосферы и природа вариации ее параметров вблизи предельного уровня
Выше границы Мохо среда находится и поддерживается в трещиноватом состоянии за счет литостатического давления и действия флюида [7]. Это означает, что уже на малых масштабах более высокий уровень напряжений невозможен. Следовательно, можно говорить о парадоксе крупномасштабных разрывов (сильных землетрясений). Кроме этого, при сильных землетрясениях снимается малая часть упругой энергии (103-104 Дж/м3), существенно меньшая фонового уровня (106-107 Дж/м3) [8]. На предельную энергонасыщенность среды указывает также постоянное деформирование среды (современные движения), большее по граничным структурам и характерное как для сейсмоактивных, так и асейсмичных регионов.
Мониторингом представлены доказательства накачки предельно энергонасыщенной литосферы дополнительной упругой энергией, причем масштаб этой накачки меняется от локального до регионального уровня. Приведем факты. В литосфере в условиях постоянных градиентов литостатического давления и температуры и весьма медленных тектонических движений наблюдаются несинхронные вариации различных полей, представляемые набором гармоник с периодами от часов-суток до многих лет. В сейсмоактивных и асейсмичных регионах плотность потока энергии слабых землетрясений различается на три
порядка, а вариации объемного деформирования, с которыми связывают подготовку сейсмических событий, лежат в пределах одного порядка. На основе данных о фокальных механизмах показана значительная неоднородность локальных полей тектонических напряжений, описываемая, в том числе, случайным полем. Эти данные нельзя объяснить действием метаморфизма или медленных тектонических движений [4].
Таким образом, в литосфере не существует проблемы накопления предельных упругих напряжений в больших объемах, на чем настаивает механика и физика разрушения континуальных сред. Однако возникают два вопроса. Первый - какие процессы приводят к образованию в предельно энергонасыщенной среде, не терпящей локальных перенапряжений, крупномасштабных структур разрушения? Второй - какова природа слабых и разномасштабных вариаций объемнонапряженного состояния (ОНС) среды вблизи предельного уровня?
Наблюдаемые вариации ОНС могут быть связаны с периодическими изменениями объема различных элементов твердой фазы. Разномасштабность, несинхронность и широта спектра изменений различных параметров среды исключает, как было отмечено выше, преимущественное действие тектонических полей и метаморфизма. Однако действующий фактор должен иметь планетарный характер. Речь идет о планетарном характере дегазации Земли, и более конкретно, о процессах взаимодействия восходящих потоков легких газов (водорода и гелия) с твердой фазой литосферы. В последнее десятилетие внимание к проблемам воздействия глубинной дегазации на процессы разрядки энергии в различных оболочках Земли резко усилилось [3] .
Последствия действия легких газов на материалы хорошо известны в ядерном и физическом материаловедении. Аналогичные эффекты обнаружены также на метамиктных кристаллах. При имплантации легких газов в различные материалы, в том числе горные, происходят структурные перестройки (с изменением объема) и аморфизация структуры, формируется газовая пористость, изменяются физико-механические свойства. Общим следствием имплантации водорода и гелия в материалы является формирование внутреннего напряженного состояния, проявляющегося в эффектах ползучести и изменения объема.
30
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
4 2 13
7 5 6 8
Рис. 1. Вариации объемно-напряженного состояния среды, отражающие в граничных структурах (1) фоновый сейсмический процесс (2) и процесс подготовки сильных землетрясений (3), а в блоковой структуре (4) - непрерывные изменения параметров; 5 и 6 -локальные и крупномасштабные цепочки механических зацеплений; 7 - зоны растяжения и сжатия; 8-потоки легких газов.
В лабораторном моделировании показано [1, 2], что имплантация (и последующий выход) водорода и гелия в горные материалы (оливин, пироксен, кварц и др.) переводит их в неустойчивое состояние, проявляющееся в обратимом изменении параметров структуры и, соответственно, в деформации сжатие ^ расширение или расширение ^ сжатие в зависимости от типа структуры. Вариации деформации достигают значений 0,01-0,03 при плотности упругой энергии порядка 106 Дж/м3 . Обоснованием переноса лабораторных данных на условия земной коры (более глубокие слои сейчас не рассматриваются) является следующее.
1. Было показано, что концентрации водорода и гелия (по отдельности), присущие твердой фазе литосферы (оценка по образцам различных горных материалов, длительно выдержанных в нормальных условиях), достаточны для перевода горных материалов в неустойчивое состояние.
2. Имплантация легких газов в кристаллические структуры не требует критических температур или давления и протекает интенсивно даже при комнатной температуре. Таким образом, при квазипостоянных градиентах температуры и давления в литосфере влияние на поле напряжений легкоподвижных восходящих потоков легких газов представляется основным переменным фактором, определяющим и поддерживающим текущую неустойчивость (нестабильность) среды вблизи предельного уровня.
В литосфере существуют долговременные и меняющиеся во времени восходящие потоки легких газов. Каждая локализованная по глубине зона при прохождении через нее легких
газов испытывает вариации объема. За счет естественной модуляции восходящего потока по глубине устанавливается чередование зон сжатия (+) и расширения (-) (рис. 1). При этом в вертикальной плоскости идет непрерывный процесс замещения друг другом зон сжатия и растяжения. Очевидно, что вариации ОНС в смежных зонах не будут синхронными. С ними необходимо связывать непрерывные изменения различных полей: деформации, наклонов, проводимости, уровня воды и др. В такой среде непрерывность и разномасштабность вариаций различных полей позволяет «подобрать» сильным землетрясениям подходящее «возмущение» какого-либо параметра.
Нелинейная динамическая модель сейсмического процесса
Сейсмический процесс, включая сильные землетрясения, реализуется по границам блоков (по разломам), где наблюдается активная циркуляция флюидной фазы и возможна подкачка газовых компонент из мантии и окружающей среды. По границам происходит смещение блоков относительно друг друга. Граничные структуры также находятся в предельном по энергонасыщенности состоянии. Можно говорить о двух режимах функционирования активных границ: фоновом и формирования и распада крупномасштабных нестабильных структур - очагов (рис. 1). Априори понятно, что переход фонового в режим формирования очага связан с ограничением взаимного перемещения блоков. Причем эти процессы носят повторяющийся характер. В фоновом режиме в граничных структурах, так же как и внутри блоковых, устанавливается динамический процесс чередования зон сжатия
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
31
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
и расширения. В «всплывающих» зонах растяжения нарушается аккомодация между элементами в граничной структуре, возникают локальные механические зацепления. Разрушение этих зацеплений отражает режим фоновой сейсмичности ( в том числе и внутриблочной, чем подчеркивается различие механизмов слабой и сильной сейсмичности), т.е. фоновая сейсмичность индуцируется слабыми вариациями упругих полей вблизи предельного уровня энергонасыщенности среды. Фоновая ситуация изменяется, когда концентрация легких газов в восходящем потоке превышает предельную, соответствующую растворимости в кристаллической решетке. Динамический процесс взаимного замещения зон расширения и сжатия в граничных структурах нарушается. Зоны расширения начинают увеличивать размеры за счет зон сжатия из-за избыточного потока легких газов по каналу: твердое тело - флюид - твердое тело. При этом локальные механические зацепления начинают образовывать протяженные связанные структуры-цепочки. Результатом этого будет торможение взаимного перемещения блоков и формирование в предельно энергонасыщенной среде очага сильного землетрясения. Под очагом сильного землетрясения следует понимать связанное состояние двух или более блоков, образующееся посредством множества механических зацеплений между элементами граничной структуры и этих элементов с блоками. Очаг формируется не за счет действия тектонических напряжений, а в результате изменения объемов элементов в граничных структурах, вызванного взаимодействием восходящих потоков легких газов с твердой фазой. Подчеркнем, что только на этой стадии очаг начинает испытывать деформацию и накапливать дополнительную упругую энергию из энергии движения блоков. Эта добавка невелика по сравнению с энергетической прочностью среды. Внешне эта схема напоминает модель stick-slip одноразового распада очага [13]. Однако в предложенной модели объясняется природа повторяемости образования очагов различных размеров как связанных состояний - возбуждений фонового состояния граничных структур. Формирование очагов сильных землетрясений также связано со слабыми флуктуациями энергии среды при взаимодействии восходящих потоков легких газов с твердой фазой.
Характерной особенностью сейсмического процесса в предельно энергонасыщенной среде является его неустойчивость. Во-первых,
постоянно изменяются физико-химические и физико-механические свойства элементов и параметров контактного взаимодействия в граничных структурах и внутри блоков за счет их взаимодействия с восходящими потоками легких газов. Во-вторых, на среду постоянно действуют флуктуационные и периодические возмущения, создавая в совокупности шумовое силовое поле (приливы, метеофакторы, упругие волны местной и отдаленной сейсмичности, тектоническая деформация, вариации скорости вращения Земли). Поэтому среда, включая граничные структуры, всегда находится на грани разрушения. Предельная деформация литосферы весьма мала и достигает величин порядка 0,0001, что существенно меньше предельной деформации разрушения лабораторных образцов. Это также подчеркивает неустойчивость процесса формирования крупномасштабных структур разрушения.
Масштабы и динамика связанных механических зацеплений - цепочек (их совокупностей) определяют характер сейсмического режима граничных структур. Основным элементом в цепочке является механическое зацепление, представляющее конгломерат мелких блоков и отдельностей. В реальных нестационарных условиях отдельные механические зацепления испытывают связанные колебания (коллективные моды), то есть колебания каждого из них в цепочке зависят от движения соседних. При определенных внутренних условиях и внешних полях эти колебания могут перейти в специфический апериодический режим с последующим распадом локальных или крупномасштабных цепочек, приводящих к поддержанию или восстановлению фонового режима.
Колебательный режим совокупности механических зацеплений (далее элементов) в цепочке (системе цепочек) в открытой и нелинейной среде предложено рассматривать в рамках модели Ферми-Паста-Улама (ФПУ) [14], описывающей динамику нелинейных взаимодействий осцилляторов-элементов. В отличие от модели Ферми с соавторами рассматриваются неоднородные цепочки с различными массами и меняющимися во времени параметрами упругих линейных и нелинейных взаимодействий между элементами. Такое представление граничных структур позволяет учитывать различные условия их динамики: тектонические и фоновые силовые воздействия, включая квазистационарное нагружение, шумовые, периодические и импульсные воздействия
32
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
различной природы, изменения параметров контактного взаимодействия отдельностей в граничной структуре.
В принципе, даже одну цепочку можно рассматривать в качестве основной части структуры разрушения от фонового класса до предельного. Масштабы цепочек определяют энергию распада и, следовательно, режимы функционирования границ. Поэтому в представляемой динамической модели будут рассматриваться только параметры устойчивости цепочек без учета их масштабов. Критерием устойчивости выбрано время жизни цепочек, заканчивающееся их распадом. Под распадом цепочек понимается переход движения их отдельных элементов из квазипериодического в апериодическое, когда амплитуда смещения элементов неограниченно возрастает.
Динамику цепочек будем описывать системой связанных нелинейных дифференциальных уравнений, которая решается численно.
m.d2x.. / dt2 = -k. , (x., . - x.) + k. (x.. - x., ) +
j tj 1+lj' J+l,/ r j' i t+lr
+ a(x,, . - x.)2 - a.(x.. - x.,, )2 - v.dx.. / dt + ...
Здесь N - число элементов в цепочке, i = 2,3, ...N-l, M - число цепочек в граничной структуре, j =l,2, .,M, m. - массы различных элементов, x j - смещения элементов, k j - коэффициенты линейной упругости, a j - коэффициенты нелинейной упругости, v j - коэффициенты диссипации, многоточие означает внешние силы. При моделировании принимались следующие значения N =6, ..., 32, M=l, l0,l5. К этой системе добавляются два уравнения движения блоков, образующих «разлом» и создающих нагружение (деформацию) цепочек и 2М уравнений движения крайних элементов, примыкающих к этим блокам. Цепочки возбуждались начальным условием в виде смещения одного (аналог толчка) или всех элементов (модовое возбуждение волной), движением одного из блоков (аналог деформации). Флуктуационная или/и периодическая составляющие внешних силовых возмущений накладывались на движение одного из блоков, а внутренние, обусловленные физико-химическими процессами, вводились в коэффициенты взаимодействия элементов.
При отсутствии диссипации и малых амплитудах воздействия различными полями движение элементов в цепочке носит квазипериодический характер, то есть наблюдается, как и в [l4], явление возврата ФПУ. Цепочка стабильна, и ее время жизни неограниченно велико. Однако
для каждого типа воздействия существует своя пороговая амплитуда Ал, выше которой цепочки имеют конечное время жизни. При дальнейшем увеличении амплитуды время жизни убывает немонотонно или испытывает флуктуации (флуктуации убывают с ростом диссипации) около некоторого среднего значения, а при достижении критических значений Асг резко уменьшается на два-три порядка скачком или несколькими скачками и далее медленно убывает с ростом амплитуды действующего поля (рис. 2 а). Можно констатировать, что существуют два типа состояний цепочек: долгоживущие и короткоживущие. Резкий скачок времени жизни имеет очень точную настройку по амплитуде действующего поля (вплоть до восьмого знака после запятой) и является примером динамического фазового перехода второго рода в системе под действием возмущения [l6], когда в ней наряду с аттрактором долгоживущих состояний появляется аттрактор короткоживущих.
Рис. 2. Зависимость времен жизни цепочек очага от уровня действующих полей. Пояснения в тексте
В качестве основных результатов моделирования покажем изменение времени жизни цепочек при одновременном действии трех различных полей: деформации (медленное смещение одного из блоков), наложение на это смещение шума (аналог совместного действия сейсмического шума, метеофакторов и др.) и начального толчка одного из элементов (аналог близкого сейсмического события). При малых амплитудах начального толчка четко выражены два типа состояний: долгоживущие и короткоживущие (рис. 2 б). Начиная с некоторого порогового уровня начального толчка, зависимость т - An резко меняется, уже при малых шумах возникает короткоживущее состояние (дестабилизация цепочки). Однако при дальнейшем увеличении амплитуды шума возникает долгоживущее состояние, которое переходит в ко-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
33
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
роткоживущее при критических значениях амплитуды шума (рис. 2 в). Такое поведение системы происходит в определенном интервале значений амплитуды толчков. При еще большей амплитуде начального толчка эффект стабилизации системы резко уменьшается (рис. 2 г). Отметим также некоторые другие результаты, представляющие интерес. Так, времена жизни уменьшаются обратно пропорционально a V, так что с точностью до 5 % существует зависимость т = в /aV (V - скорость роста напряжения, в - коэффициент) при изменении одной из величин в 16 раз. Увеличение числа цепочек в очаге до 10 или 15 не вносит существенных изменений в зависимость т - А, наблюдается лишь некоторое смещение амплитуд Ас. Моделирование влияния близких к моменту распада толчков в условиях слабого затухания показало, что если цепочки, находящиеся в долгоживущем состоянии, приблизились к моменту распада (до распада остается время порядка 1 %т), то при дополнительном возбуждении их толчком определенной силы возможна как дестабилизация (более быстрый распад), так и увеличение стабильности на более длительное время. Причем отличие амплитуд толчков, вызывающих дестабилизацию или увеличение стабильности, мало.
Реальных комбинаций, действующих на цепочки внешних полей, много. Каждая комбинация вносит свои коррективы в зависимость времени жизни от амплитуд соответствующих полей. Самым существенным является наличие долгоживущих и короткоживущих состояний цепочек и резких переходов между ними в прямом и противоположном направлениях.
В реальных условиях процессы формирования связанных структур (цепочек-очагов) различного масштаба контролируются «газовым дыханием» Земли, уровнем действующих в данный период слабых фоновых полей и свойствами граничных структур. Если уровень действующих фоновых полей превышает критические значения, то процессы образования связанных структур носят локализованный характер, а время их жизни ограничено. Это условия фонового сейсмического режима. Наоборот, процессы формирования протяженных связанных структур-очагов сильных землетрясений наиболее вероятны при уровне фоновых полей, не превышающем критическое значение. Это долгоживущие состояния, в определенной мере отражающие период сейсмического затишья и подготовки сильных землетрясений.
Подчеркнем, что совпадение или рассогласование ритмов газового дыхания и фоновых полей определяют тип сейсмического режима в региональном масштабе, то есть сейсмичность любого уровня индуцируется слабыми фоновыми полями и обусловлена неравномерностью восходящего потока легких газов. Причем в самой геологической среде существуют условия регулирования сейсмического режима , в том числе и предотвращения сильных землетрясений. Например, возможен распад формирующегося очага на ранней стадии его подготовки при достаточном уровне фоновых полей или действии сейсмических событий определенной силы вблизи очага. В то же время, как уже упоминалось, если в какой-то зоне подготовлен очаг сильного землетрясения и до его распада осталось небольшое время, то упругие волны близких землетрясений могут ускорить или замедлить распад, то есть уменьшить или увеличить энергию распада. Точно так же более подробное моделирование позволяет ожидать, что при достаточно сильном шумовом фоне случайные события средней силы в период подготовки очага сильного землетрясения могут переводить систему из короткоживущего состояния в долгоживущее, то есть с накоплением еще большой упругой энергии в очаге ( этот эффект в более простой ситуации представлен на рис. 2, когда достаточно сильный стабилизирующий толчок происходит в начале процесса подготовки). Последнее показывает обоснованность обсуждения и реализации проблемы искусственного регулирования сейсмического процесса.
Заключение
Представления о сейсмическом процессе и результаты моделирования, которые можно получить из динамической модели связанных состояний в граничной структуре блоков, качественно соответствуют поведению геологической среды. Выявлены динамические свойства предельно энергонасыщенной среды как нелинейной системы, которые позволяют судить о разнообразии развития сейсмического процесса в среде и различной реакции среды на действие близких по амплитуде полей. Оценивать предвестниковый характер фонового сейсмического режима необходимо с учетом цикличности процессов дегазации (контролирующей вариации ОНС среды) и вариаций фоновых силовых полей. Причем локальные аномалии геофизических и гидрогеохимических
34
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
