CC BY
29
УДК 550.34.013.4, 539.3
Трехмерная геомеханическая модель литосферы района подготовки Алтайского землетрясения 2003 г.
П.Г. Дядьков, Л.А. Назаров1, Л.А. Назарова1
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 1 Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия
Разработана объемная вязкоупругая модель литосферы Алтая и его окружения, которая учитывает основные структурнотектонические элементы — блоки, плиты, микроплиты и разломные зоны. По вертикальному разрезу модель разделена на семь слоев неравной мощности, что позволило задать основные структурные границы и неоднородность упругих и реологических свойств. Введено четыре градации разломных зон, различающихся по жесткости межблочных контактов. Выполнена серия расчетов геомеханических полей, позволяющая оценить особенности деформирования объекта при коллизионном сжатии. Моделировались действительно возможные случаи, связанные с изменениями регионального поля напряжений. Как показали численные эксперименты, умеренное боковое стеснение на западной и восточной границах модели влияет на величину и направление вектора смещения, существенно уменьшая его широтную компоненту в условиях коллизионного сжатия.
Ключевые слова: численное моделирование, геодинамика, землетрясение, Алтай
3D geomechanical model of the lithosphere in the region of preparation of the 2003 Altai earthquake
P.G. Djadkov, L.A. Nazarov1 and L.A. Nazarova1
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 630091, Russia
In the paper we develop a 3D viscoelastic model of the lithosphere of the Altai and its surrounding areas, which considers main structural and tectonic elements, namely, blocks, plates, microplates and fault zones. The model consists of seven layers with different thickness, which allows specifying main structural boundaries and inhomogeneity of elastic and rheological properties. We introduce four gradations of fault zones depending on rigidity of interblock contacts. A set of calculations on geomechanical fields is performed to estimate deformation peculiarities for an object in compression due to collision. We have simulated eventual cases related to changes in the regional stress field. As the numerical experiments show, moderate lateral constraint at the western and eastern boundaries of the model influences a value and direction of the displacement vector and reduces considerably its latitude component in compression due to collision.
Keywords: numerical modeling, geodynamics, earthquake, Altay
1. Введение
Актуальность разработки модели литосферы района подготовки Алтайского (Чуйского) землетрясения 2003 г., М = 7.5, достаточно редкого события для Русского Алтая, обусловлена необходимостью изучения основных геодинамических условий и сил, его вызвавших. Следует отметить, что методологические основы построения подобных моделей были разработаны авторами ранее [1, 2]. Одной из важных задач современного этапа исследований является изучение влияния меняющихся региональных геодинамических условий деформирования на
процессы подготовки сильных землетрясений Алтая. Эти условия могут определяться как изменением интенсивности действия коллизионных и субдукционных сил в результате сейсмотектонических циклов на ближайших конвергентных границах, так и изменением состояния блочной геодинамической системы на меньшем масштабном уровне. Фактическим примером возможности таких изменений региональных полей напряжений служат данные о том, что в начале 90-х годов прошлого века в Байкальском регионе наблюдался кратковременный эпизод смены преобладающего в рифтовой зоне
© Дядьков П.Г., Назаров Л.А., Назарова Л.А., 2009
Рис. 1. Типы литосферы по геомеханическим свойствам и разломная структура исследуемой области. І-ІУ—типы литосферы по геомеханическим свойствам (табл. 1)
сбросового типа смещений в очагах землетрясений на смещения, имевшие взбросовую компоненту [3].
2. Структурные и реологические свойства модели
В [4] показано, что характер деформирования земной коры и соответственно тип механизмов землетрясений в пределах коллизионной области определяются, в основном, различием в структуре реологически-блоч-ной системы и взаимным расположением более жестких элементов структуры и орогенных областей. Это расположение элементов определяет, в каких условиях происходит деформирование среды: латерально стесненных или латерально нестесненных.
При построении геомеханической модели литосферы Алтая, наряду с геологическими, тектоническими и геоморфологическими сведениями [5-7], нами широко использовались данные о пространственном распределении сейсмичности, которые позволяли не только
Рис. 2. Дискретизация расчетной области на конечные элементы, ассоциированная с разломной структурой. Пунктирная линия — граница Мохоровичича
выделить основные структурные элементы, но и определить современную активность той или иной разломной зоны.
Как правило, в западных районах Центральной Азии, в том числе в Алтае-Саянском регионе, впадины являются сейсмически слабо активными, что, скорее всего, свидетельствует об их повышенной жесткости. К ним относятся Джунгарская, Зайсанская впадины, Котловина Больших Озер и ряд небольших впадин, включая Чуйскую и Курайскую (рис. 1). Основная сейсмичность приурочена к орогенным областям или к границам впадин и орогенов. Таким образом, данные о долговременной сейсмической активности позволяют в первом приближении разделять отдельные структурные элементы земной коры (как блоки, так и разломные зоны) на более жесткие и на ослабленные — «мягкие». Повышенной сейсмической активностью отмечаются разломы, на которых в течение нескольких десятков лет назад произошли сильные землетрясения. Для Алтая это область Фуюньского разлома, на котором в 1931 г. произошло Монголо-Алтайское землетрясение (М =8.1), район Урэг-Нурского землетрясения 1970 г. (М = 7.0) и район продолжающейся афтершоковой активности Алтайского землетрясения 2003 г. (М= 7.5). Несколько меньшей
Таблица 1
Физические свойства пород модели района подготовки Алтайского землетрясения
Типы литосферы по геомеханическим свойствам (рис. 1)
Диапазон глубин, км I II Ш IV
Е, ГПа р, кг/м3 1пп Е, ГПа р , кг/м3 1пп Е, ГПа р, кг/м3 1пп Е, ГПа р, кг/м3 1пп
0-10 40 2800 24 40 2800 24 40 2800 24 35 2900 25
10-20 50 2800 25 50 2800 25 50 2800 24 70 3400 24
20-30 60 2900 24 70 2900 23 70 2900 21 70 3400 24
30-. м 70 3000 22 70 3200 22 70 3200 23 70 3400 23
2м -60 м 70 3300 23 70 3300 23 70 3300 22 70 3400 22
60-100 70 3300 23 70 3300 23 70 3300 19 70 3400 18
100-150 70 3300 23 70 3300 22 70 3300 19 70 3400 18
Примечание: [п] = Па - с, ^м = ^м(х,_у) — глубина границы Мохоровичича
активностью характеризуется область Зайсанского землетрясения 1990 г. (М = 7.0). Повышенной аномальной сейсмичностью отличается Шапшальский хребет, что, возможно, объясняется не только его тектонической позицией, но и относительно низкими прочностными свойствами пород, слагающих этот массив.
Таким образом, при задании структуры модели (ее деления на блоки, микроплиты, плиты и разломные зоны) и упругих свойств для этих элементов, кроме известных литературных данных [5-7], использовалась информация как о сильных землетрясениях прошлого, так и детальные сейсмологические данные о современном сейсмическом процессе (1962-2008 гг.).
Расчетная область (размеры 1000x1000x150 км) разбивалась на 25 000 конечных элементов в соответствии с разломной структурой (рис. 2) и включала 7 слоев неравной мощности по вертикали, что позволило учесть положение границы Мохоровичича, а также неоднородность упругих и реологических свойств. При выборе значений последних были использованы довольно немногочисленные сведения о глубинах залегании основных границ [8, 9]. Данные о вероятном распределении реологических свойств (вязкости) как в литосфере, так и в разломных зонах были взяты из литературных данных, где они оценивались различными методами [10, 11]. В табл. 1 приведено распределение по глубине физических свойств (Е — модуль Юнга, р — плотность, П — вязкость). Коэффициент Пуассона принят постоянным, равным 0.25.
Введено четыре градации разломных зон (табл. 2), которые различаются по нормальной Кп и касательной К жесткости контактов. Ранг конкретной зоне присваивался в зависимости от пространственных размеров, типа преобладающих подвижек (взброс, сброс или сдвиг) и интенсивности сейсмической активности.
3. Результаты численного моделирования
Для разработанной геомеханической модели Алтая с использованием программы 3МКЭГК [12] выполнено численное моделирование полей смещений и деформаций, вызванных влиянием сил Индо-Евразийской коллизии. При этом изучено влияние степени бокового стеснения, моделируемого заданием неподвижности или свободы перемещения западной и восточной границ при закрепленной северной границе. На южной границе
Таблица 2
Деформационные свойства разломов
1 2 3 4
hKn, ГПа 12 18 24 36
hKt, ГПа 5 8 10 15
Примечание: h — ширина разломной зоны
Рис. 3. Разность полей горизонтальных смещений, рассчитанных для двух вариантов граничных условий модели: в первом варианте боковые границы частично свободны, закреплены только их северные части в районе Западно-Сибирской плиты и Казахского щита и во втором — боковые границы неподвижны. Смещение южной границы за счет действия коллизионных сил составляет 10 мм в обоих вариантах
модели задавалось смещение в северном направлении, равное 10 мм, что соответствует годовому смещению земной поверхности в этом районе за счет коллизионных сил по данным GPS (профиль Лхаса-Новосибирск
[13]).
Установлено, что степень стеснения (частичная или полная) оказывает сильное влияние на деформацию среды. Отсутствие бокового стеснения (по сравнению с его наличием) значительно увеличивает широтную составляющую вектора смещения, которая достигает
О 200 400 600 800 х, км
Рис. 4. Изолинии вертикальных смещений земной поверхности (в мм) для случая неподвижных западной и восточной границ модели при действии сил Индо-Евразийской коллизии
2-3 мм (рис. 3). В данном варианте расчетов были закреплены северные части боковых границ модели, отображая неподвижность области модели, которая относится к Западно-Сибирской равнине и Казахскому щиту.
Во всех рассматриваемых вариантах расчетов наблюдается увеличение вертикального смещения (поднятия поверхности) в местах, совпадающих или близких по расположению к хребтам и поднятиям (Курайский, Шапшальский и Северо-Чуйский хребты) (рис. 4). Наименьшие значения поднятия поверхности приходятся на область Западно-Сибирской плиты.
Детально исследованы смещения берегов контактов в районе Чуйской и Курайской впадин. Оказалось, что при заданных упругих свойствах блоков и разломных зон Чаган-Узунский блок имеет очень небольшой вращательный момент против часовой стрелки.
4. Заключение
Разработана трехмерная вязкоупругая модель литосферы Алтая и его окружения, которая учитывает разбиение среды по основным структурным тектоническим элементам (блокам, микроплитам, плитам и разлом-ным зонам), а также неоднородность распределения по глубине деформационных и реологических свойств пород и межблочных контактов.
На основе численных экспериментов установлены особенности деформирования среды: при коллизионном сжатии в северном направлении боковое стеснение на западной и восточной границах существенно влияет на направление вектора смещения, заметно уменьшая его широтную компоненту.
Работа поддержана РФФИ (проекты №№ 07-0500986, 06-05-65062), программой Президиума РАН № 16. Авторы выражают благодарность к.г.-м.н. В.М. Соловьеву и д.г.-м.н. В.Д. Суворову за полезные обсуждения.
Литература
1. Дядьков П.Г., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Трехмерная вязкоупру-
гая модель литосферы Центральной Азии: методология построения и численный эксперимент // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. -№ 1.-С. 91-101.
2. Дядьков П.Г., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Численное моделиро-
вание напряженно-деформированного состояния и его изменений в литосфере Центральной Азии // Актуальные вопросы современной геодинамики Центральной Азии. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. - С. 208-233.
3. Дядьков П.Г., Мельникова В.И., Саньков В.А. и др. Современная динамика Байкальского рифта: эпизод сжатия и последующее растяжение в 1992-1996 годах // ДАН. - 2000. - Т. 372. - № 1. -С. 99-103.
4. Гольдин С.В., Кучай О.А. Сейсмотектонические деформации Ал-тае-Саянской сейсмоактивной области и элементы коллизионноблочной геодинамики // Геология и геофизика. - 2007. - Т. 48. -№ 7.-С. 692-723.
5. Новиков И.С. Морфотектоника Алтая. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, Филиал ГЕО, 2004. - 312 с.
6. Добрецов Н.Л., Берзин Н.А., Буслов М.М., Ермиков В.Д. Общие проблемы эволюции Алтайского региона и взаимоотношения между строением фундамента и развитием неотектонической структуры // Геология и геофизика. - 1995. - Т. 36. - № 10. - С. 519.
7. ТрифоновВ.Г. Неотектоника Евразии. - М.: Научный мир, 1999. -252 с.
8. Булин Н.К., Проняева Е.А., Бубнова В.И. Глубинное строение территории Юго-Западного Алтая по сейсмологическим данным // Советская геология. - 1969. -№ 4. - С. 97-109.
9. Морсин П.И., Сурков В.С. Глубинное строение Алтае-Саянской складчатой области // Тектоника и глубинное строение Алтае-Саянской складчатой области. - М.: Недра, 1973. - С. 37-57.
10. Pollitz F.F., Bürgmann R., Segall P. Joint estimation of afterslip rate and postseismic relaxation following the 1989 Loma Prieta earthquake // J. Geophys. Res. - 1998. -V. 103. - No. B11. - P. 26975-26992.
11. McKenzie D., Nimmo F., Jackson J., Gans P., Miller E. Characteristics and consequences of flow in the lower crust // J. Geophys. Res. -2000. - V. 105. - No. B5. - P. 11029-11046.
12. Назарова Л.А. Моделирование объемных полей напряжений в разломных зонах земной коры // ДАН. - 1995. - Т. 342. - № 6. -С. 804-808.
13. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Кале Э. и др. Поля и модели смещений земной поверхности Горного Алтая // Геология и геофизика. - 2006. - Т. 47. - № 8. - С. 923-937.
Поступила в редакцию 10.11.2008 г.
Сведения об авторах
Дядьков Петр Георгиевич, к.г.-м.н., заведующий лабораторией ИНГГ СО РАН, [email protected] Назаров Леонид Анатольевич, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник ИГД СО РАН, [email protected] Назарова Лариса Алексеевна, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник ИГД СО РАН, [email protected]
