Мегасколы Риделя Мегасколы Риделя R` как возможная причина
advertisement
Мегасколы Риделя R’ как возможная причина цунамигенных землетрясений в зонах субдукции Гончаров М.А., Фролова Н.С., Захаров В.С., Рожин П.Н. МГУ Геологический ф-т, Москва m.a.gonch@mail.ru Равноправие и чередуемость сильных землетрясений в зонах субдукции Цунамигенные Не-цунамигенные Модель возникновения крутопадающих и пологопадающих сейсмических очагов в зоне субдукции [Рогожин, Захарова, 2006] Представляется, что после катастрофического Суматринского цунамигенного землетрясения 2004 г., Чилийского 2010 г., а теперь и Японского 2011 г. проблема поиска принципиальных различий между очагами сильнейших землетрясений, сопровождающихся цунами, и очагами, не генерирующими это катастрофическое явление в океане, является актуальной. Ориентировка мегасколов – очагов землетрясений – по отношению к главным осям напряжений дает основание считать их мегасколами Риделя R и R’ Главные трещины зоны сдвига вдоль наклонной плоскости Модель возникновения крутопадающих и пологопадающих сейсмических очагов на материковом склоне островной дуги [Рогожин, Захарова, 2006] Моделирование однородного простого сдвига на влажной глине. Черные отрезки – R’ R’--сколы, коричневые - R-сколы Интерпретация модели Е.А. Рогожина и А.И. Захаровой предполагает равноправие мегасколов Риделя R и R’ Сколы Риделя в теории и эксперименте В момент своего возникновения сколы R и R’ действительно равноправны,, поскольку они образуют равные углы с направлением равноправны как максимальных касательных («сдвигающих»),так и максимальных сжимающих (препятствующих сдвиганию) напряжений. Многочисленные эксперименты подтверждают это представление Однако через некоторое время почти во всех экспериментах начинают доминировать R-сколы Тот же опыт М09-1 Эксперименты Лаборатории тектонофизики и геотектоники МГУ по воспроизведению простого неоднородного сдвига на влажной глине. При увеличении амплитуды сдвигания начинают резко преобладать R-сколы При увеличении амплитуды сдвига сколы R’ перестают развиваться, а сколы R увеличивают свои размеры и амплитуду Мы посвятили наши разработки выявлению факторов, под влиянием которых в геодинамической обстановке сдвига антитетические сколы Риделя R' были бы все же равноправны с синтетическими сколами Риделя R Часть I Роль «активных» напряжений, способствующих скалыванию, и «пассивных» напряжений (трения) Различная эволюция сколов R и R’ в обстановке простого сдвига Давно установлено, что разрывы и разломы по всей своей длине образуются не сразу, а путем объединения более мелких трещин и разрывов, возникших вдоль трассы будущего более крупного разрыва или разлома. Это объединение занимает некоторый промежуток времени, в течение которого в зоне крупного сдвига происходит пластическая деформация сдвига под действием того же поля напряжений. В результате этой сдвиговой деформации трассы формирующихся сколов Риделя испытывают поворот, в одну и ту же сторону, увеличивая свой угол с направлением сдвига. При этом повороте направление сколов R удаляется как от направления максимального касательного («сдвигающего») напряжения, так и от нормали к оси максимального («препятствующего») сжатия, а направление сколов R’, наоборот, к этим направлениям приближается, что вызывает разные последствия для R и R’ –сколов. Вращение сколов многие исследователи (М.В. Гзовский, С. Стоянов, Ю.Л. Ребецкий и др.), считают возможным фактором преобладания сколов R над сколами R’ R’, как в природе, так и в эксперименте. Однако детальных расчетов ни у одного из авторов приведено не было. Вращение сколов R’ в эксперименте б а в г Простой однородный сдвиг образца из влажной глины: а – общий вид; б – начало формирования сколов Риделя; в – сколы Риделя развиты примерно одинаково; г – преобладание R-сколов при увеличении амплитуды сдвига. R’R’-сколы повернулись на 10 10--15º 15º Нами была рассмотрена вращательная эволюция сколов Риделя в разных условиях – при различной величине литостатического давления и при разных углах скалывания горных пород. Количественные расчеты представлены в статье [2009] 2009] одного из соавторов доклада: Проделанные расчеты привели нас к следующим выводам: 1. Простейшая ситуация, характерная для экспериментов с эквивалентными материалами. Угол скалывания α < 45 45°°. Литостатическое давление отсутствует В самом начале сдвигания сколы R’ имеют преимущество в развитии Если в результате вращения углы сколов R’ с осью сжатия превысят 45º 45º, они перестают быть активными. Поэтому преимущество в развитии получают сколы R. 2. Предельный случай (на больших глубинах) – угол скалывания α = 45° 45°. С самого начала доминируют сколы R. 3. Ситуация с наличием литостатической нагрузки 0. До δ = 15º 15º (β’ = 45 45ºº) доминируют R’, а потом – R. 1. Доминируют R. 2. Нарастающее доминирование R. 3. Нарастающее доминирование R. 4. Нарастающее доминирование R при меньшем различии. 5. Нарастающее доминирование R при все меньшем различии. 8. Слабое нарастающее доминирование R при ничтожном различии. Основные выводы: 1. Была подтверждена роль вращения сколов в их развитии. 2. Оказалось, что на глубинах, на которых литостатическое давление превышает половину максимального касательного напряжения, сколы.. всегда доминируют R-сколы Соотношение касательного и всестороннего напряжений в природе Распределение инвариантных характеристик тензора напряжений: (а) всестороннее давление,, МПа; давление (б) максимальные каса каса-тельные напряжения, напряжения, МПа. Зондская сейсмоактивная область [Погорелов, 2011] 2011] Хорошо видно, что всестороннее давление превышает касательные напряжения в несколько раз Так, на глубине около 10 км σm ≈ 300 МПа, а τmax имеет максимум 50 МПа. С глубиной эта разница – уже на порядок величины больше. Очаги цунамигенных землетрясений находятся на глубинах > 10 км. Это означает, что для возникновения сколов R’, равноправных со сколами R, τmax должно быть выше 300 × 2 = 600 МПа, что абсолютно нереально. Налицо противоречие между экспериментами и природой Зарождение сколов R’ в эксперименте возможно, потому что в нем грубо нарушено подобие по отношению Об этом неоднократно напоминал Ю.Л. Ребецкий. Другими словами, даже очень медленное сдвигание осуществляется непропорционально большими усилиями. В природе сколы R’ даже на небольших глубинах существовать не могут. σm > Следовательно, для их равноправия со сколами R в зонах субдукции существуют дополнительные факторы. Имеются косвенные данные, позволяющие предполагать, что мегасколами R’ в зонах субдукции являются «сейсмические «сейсмические гвозди». Их открытие принадлежит нашему покойному коллеге по Кафедре динамической геологии В.Н. Вадковскому . τ max 2 Сейсмические «гвозди» и их свойства Выявлены В.Н.Вадковским [1996, 2006, 2012] 2012]. Это почти вертикальные, изометричные в плане, короткоживущие скопления гипоцентров землетрясений. Состоят, главным образом, из очагов слабых землетрясений (с магнитудой 2– 2–3). Протяженность «гвоздя» по вертикали составляет от 10 до 50 км, глубина до 90 км. Эпицентральная проекция "гвоздя" имеет размер 0.05– 0.05 –0.1º (5– (5–10 км) в диаметре. Значения показателя Херста (H>0.5) указывают на наличие устойчивой тенденции (персистентность) персистентность) в порядковой последовательности глубин землетрясений, составляющих «гвоздь» [Захаров, Карпенко, 2012; Захаров и др., 2012]. Пример сейсмического «гвоздя» в районе о. Хоккайдо [Вадковский, 2012]. Сейсмический «гвоздь» в районе о. Хоккайдо (январь– (январь–март 1989) 194 события события с M<5. Глубины 0 0– –40 км. Временнáя последовательность глубин очагов землетрясений при формировании «гвоздя». формирование «гвоздя» Наибольшее количество «гвоздей» выявлено в зонах субдукции, но они встречаются и в других районах Алеуты (июль–сентябрь 2010 ) [Захаров, Карпенко, 2012; Захаров и др., 2012] Южная Камчатка (март 1983) Япония, южнее о.Хонсю (сент.- окт. 1990) Вулкан Св.Елены (март–май 1980) о.Сулавеси (июль 1983 г.) Появление «гвоздей» в зонах субдукции связано R’- сколов? с постепенным развитием субвертикальных R’Об этом могут свидетельствовать: Компактность Почти вертикальное расположение Интервалы глубин до 100 км Короткое время образования Гипоцентры землетрясений без тренда по вертикали заполняют все тело «гвоздя» в процессе его формирования Мы считаем, что макротрещины (разрывы) скалывания, по крайней мере в гранулированных материалах, формируются путем объединения мелких трещин отрыва, возникающих в начале деформации. Развитие сколов Риделя в гранулированных материалах Простой сдвиг. Модель из песка Эшелонированные трещинки отрыва с течением времени образуют сколы Риделя. Эксперимент Лаборатории тектонофизики МГУ Простой сдвиг. Модель из песка СЖ10-1 При сдвиге в песке вначале сформировались мелкие эшелонированные трещины отрыва, которые затем объединялись в сколы Риделя. Эксперименты Лаборатории тектонофизики МГУ Простой сдвиг со сжатием. Синтетический гранулированный материал. В начале сдвигания возникали трещины отрыва, расположенные эшелонировано, которые затем, объединяясь, образовывали макроскопически видимые полосы сдвига [Cho et al., al.,2008]. аа Простой сдвиг. Модели из песка Эксперименты Лаборатории тектонофизики МГУ а - Начало формирования скола Риделя. Скол состоит из более мелких трещин, между которыми имеются перемычки б - Хорошо выраженный скол Риделя. Местами сохранились перемычки в - скол Риделя в вертикальном разрезе. Видно, что он состоит из отдельных фрагментов «Природный эксперимент» Структуры, сформировавшиеся во время землетрясения 2010 г. на Центральном плато Тибета в неконсолидированных аллювиальных отложениях. Сдвиги состоят из ранних трещин отрыва (буква Т на фотографиях), впоследствии объединенных в единый разрыв. [G. Rao et al al., ., 2011 2011]] Зарождение трещин скалывания в литифицированных породах. Хорошо видно, что при небольшой деформации они состоят из эшелонированных трещин отрыва Сопряженные зоны сдвига в меловых известняках. Покров Моркль. Швейцария. [Ramsay, [Ramsay, Huber, Huber, 1987 1987]] Таким образом, не исключено, что сейсмические «гвозди» – это проявление мегатрещин отрыва, отрыва, которые при последующем объединении образуют субвертикальный мегаскол Риделя R’. Ранее было показано, что цунамигенные мегасколы R’ не могут развиваться равноправно с мегасколами сколами R в обстановке горизонтального сдвига вдоль горизонтальной же плоскости в зонах субдукции. Но они развиваются, и притом чередуясь во времени! В.Н. Вадковский [2006, 2012 2012]] высказал предположение об активной роли флюидов в процессе формирования сейсмических «гвоздей» , которые мы отождествляем со сколами Риделя R’. В связи с этим нами были проделаны эксперименты по воспроизведению горизонтального сдвига вдоль горизонтальной плоскости, в которых влажная глина дополнительно смачивалась с поверхности водой. В этих экспериментах активно развивались сколы Риделя R’. R’. Простой однородный сдвиг. Модель из влажной глины. Смачивание поверхности образца водой обусловило развитие cколов Риделя R’ R’,, практически равноправных со сколами Риделя R. Эксперимент Лаборатории тектонофизики МГУ Часть II Сколы Риделя R’ как возможное следствие влияния изостатического фактора Наибольшей популярностью для объяснения генезиса цунамигенных землетрясений пользуется модель “splay fault” fault”.. “Sketch showing a splay fault branching upward from a subduction zone plate boundary (bottom (bottom)) along with the variation of seafloor uplift due to the earthquake (top (top)” )”.. [Heidarzadeh, Heidarzadeh, 2011] 2011] Абстрактная модель. Применение этой модели к Японскому землетрясению 2011 года привело к ее неоправданному усложнению. Местоположение эпицентра цунамигенного землетрясения у восточного побережья о. Хонсю, Япония. Япония К югоюго-востоку от него – сброс поверхности морского дна амплитудой более 8 м и протяженностью в несколько десятков километров вдоль линии желоба (показано красным овалом). Конкретная модель. [Tsuji et al., al., 2011] Сейсморазрез – 1999. Поднятие дна – с 2008. Приведение этой модели к масштабу 1:1 и обозначение в этом масштабе места гипоцентра землетрясения с одной из его нодальных плоскостей делает модель нереальной. [Tsuji et al., 2011] 1 Во время землетрясения морское дно между желобом и сбросом сместилось в сторону океана на 50 см и поднялось на 7 см, по данным Japan Agency for MarineMarine-Earth Science and Technology [JAMSTEC, 2011]. 2011]. 2. От очага до сброса – более 70 км. К тому же активное (при субдукции) смещение в очаге – в противоположную сторону. 3. К западу от эпицентра поднятие земной поверхности, по данным GPS, GPS, сменяется опусканием (см. ниже). 4. Для цунамигенных землетрясений характерна крутая нодальная плоскость [Рогожин, Захарова, 2006] 2006]. Следующим этапом нашего исследования явилось рассмотрение влияния дополнительных факторов, способствующих развитию R’-сколов. Одним из таких факторов является сила тяжести, которая в рассмотренной выше обстановке горизонтального сдвига вдоль вертикальной плоскости, характерной для зон сдвига, вызывала только литостатическое давление. В интересующем же нас случае сама по себе сила тяжести должна препятствовать формированию крутопадающих сколов Риделя R’ – взбросов поверхности океанского дна, вызывающих цунами. Однако одно из проявлений силы тяжести – ее аномалия в зонах субдукции – потенциально способна вызвать противоположный эффект. Субдукция порождает на только «структурную пару» – глубоководный желоб и островную дугу, но и резкое нарушение гравитационного потенциала – отрицательную аномалию силы тяжести в области желоба и положительную аномалию в зоне дуги. Это нарушает изостатическое равновесие. Карта гравитационного поля в районе Японской зоны субдукции (до землетрясения) http:// http ://www www..esa. esa.int int//esaLP esaLP//LPgoce LPgoce..html Поднятие в зоне глубоководного желоба и опускание в зоне островной дуги “The gravity changes, in units of mGal, due to coseismic and postseimic deformation associated to the 11 March 2011 Tohoku Tohoku--Oki earthquake obtained using spatio--spectral Slepian localization analysis spatio of monthly GRACE solutions. The postseismic signal refers to the deformation during period between March and the end of July 2011. The blue star denotes the GCMT epicenter”. [Wang et al., al., 2012 2012]] “Calculated vertical deformation of upheaval (red) and subsidence (blue) of ground surface due to a 15 m slip over the subfault plane and tsunami waveforms at stations TM1 (green) and TM2 (orange), for (a) uniform slip model, (b) shallow slip model, and (c) southern slip model. “Tsunami runrun-up zones for the Tohoku earthquake 1111-3-2011. The observed Propagation vectors are marked with black arrows, tsunami traces are overlapped as dotted lines in indicative peak runrun-ups are marked with red triangles each inset for comparison”. and runrun-up values with blackblack-yellow numbers. [Maeda et al., 2011] Contour lines show crust uplift (red) and subsidence (blue) in meters. The maximum runrun-up zones indicate areas where runrun-up generally did not exceed the indicated elevation, except for the cases of peaks, due to local conditions, discussed in the text. [Lekkas et al., 2011] Sumatra Gravity Changes [Shin Shin--Chan et al., 2006] “GPS vector data from GEONET, the GPS network maintained by the Geographical Survey Institute of Japan, showing the recent 2-year crustal deformation of the Japanese arc system” [Sagiya et al., al., 2000]. Тохоку--2011 Тохоку GPS Длина «горизонтальных» стрелок в 5 раз больше длины «вертикальных» стрелок. После землетрясения в Японии были зафиксированы смещения как по горизонтали в сторону океана, так и нисходящие по вертикали. По амплитуде горизонтальные смещения значительно превосходят вертикальные. Горизонтальные смещения направлены центростремительно в сторону эпицентра, который располагается в изометричной котловине. Амплитуда этих смещений, максимальная на ЮВ-побережье, убывает к СЗ и сходит на нет на СЗ-побережье. Это означает, что горизонтальные смещения не вызваны некой внешней силой, со стороны Японского моря, а являются результатом изостатического сглаживания контраста рельефа между островной дугой и желобом. Желоб как бы «заплывает» породными массами, которые смещаются в его сторону и в то же время смещаются немного также вниз. К ЮВ от эпицентра картина иная. Там продолжилось горизонтальное смещение пород поверхности океанского дна в сторону океана, но уже с компонентой вертикального поднятия. http://supersites.earthobservations.org/sendai.php Это все означает, что ЮВЮВ-часть островной дуги опускается, СЗ СЗ--борт желоба поднимается, а породные массы движутся от дуги к желобу, стремясь ликвидировать контраст рельефа. В самом же гипоцентре землетрясения произошел крутой взброс, плоскость сместителя которого круто (78– (78–84 84ºº) падает в сторону океана. Т.е. желоб «взброшен взброшен» » на дугу по сколу R’. Вероятно, резкое опускание океанского дня вблизи суши служит причиной отступания морской воды от берега, а столь же резкое поднятие дна вдали от суши вызывает подъем уровня моря, после чего уже «морская изостазия» гонит гигантскую волну в сторону берега. Нижняя полусфера Fujii et al., 2011 Аналогичная инверсия произошла в «тектонопаре» трог Нанкай – дуга Сикоку Геодезические измерения Модель Сикоку Нанкай→ [Hyndman, Wang, 1993] [Gutscher Gutscher,, Peacock, 2003] Map of Chilean Earthquake Coseismic Displacement Derived from GPS Data March 10, 2010 The Central and Southern Andes GPS Project (CAP) team led by Mike Bevis at Ohio State University have computed the coseismic displacement field associated with the recent M 8.8 Maule earthquake in southsouth-central Chile. Peak measured displacement is 3.04 meters near the city of Concepcion, Chile. Map--chileanMap chilean-earthquakeearthquake-coseismic coseismic--displacement displacement--derived derived-gps--data gps data--9667 - 2010.htm [Vigny et al., 2005] Соотношение прямых и «обратных» деформаций в зоне субдукции При повторяемости сильных землетрясений примерно через 2 года [Рогожин, Захарова, 2006], «обратная» деформация (~ (~ 1 м) оказывается больше чем на 2 порядка выше прямой деформации (2÷ (2÷10 мм). Поэтому «обратная» деформация не может быть простой релаксацией прямой упругой деформации. Геодезические измерения (Сикоку / Нанкай) [Gutscher, Peacock, 2003] Модель [Hyndman, Wang, 1993] «Обратная» деформация может быть своеобразной релаксацией прямой пластической деформации, обусловленной поддвигом океанической литосферы с формированием сейсмогенного мегаскола Риделя R. В этом – возможное объяснение закономерного чередования цунамигенных и нене-цунамигенных землетрясений, установленного в [Рогожин, Захарова, 2006]. Здесь вероятно влияние упомянутого изостатического фактора, когда очередной импульс субдукции, стимулирующей формирование пологого скола R, одновременно способствует углублению глубоководного желоба и тем самым увеличению отрицательной аномалии силы тяжести. А формирование крутого скола R’ является ответной изостатической реакцией. [Рогожин, Захарова, 2006] Не исключено, что в кайнозое (в отличие от мезозоя) «обратная» изостатическая деформация превосходила прямую субдукционную деформацию. Поэтому суммарный эффект выражается в так называемой «эдукции «эдукции» » пододвиганием.. – преобладании выдвигания океанической литосферы над ее пододвиганием Однако масштабы этих двух противоположных процессов несопоставимы. Субдукция – это субглобальный процесс в геодинамической системе 2 2--го ранга, охватывающей всю верхнюю мантию. Эдукция же – это региональный процесс в геодинамической системе 33-го ранга, охватывающей только верхнюю часть верхней мантии. [Сакулина и др., 2011] 2011] «ОТСУТСТВИЕ ПРИЗНАКОВ СУБДУКЦИИ В СТРОЕНИИ КУРИЛЬСКОГО ГЛУБОКОВОДНОГО ЖЕЛОБА (ПО ДАННЫМ МОВМОВ-ОГТ НА ОПОРНОМ ПРОФИЛЕ 11-ОМ)» Заключение Сколы Риделя R’, редко возникающие в природной обстановке сдвига, в случае влияния в зонах субдукции дополнительного изостатического фактора становятся равноправными со сколами R и являются причиной сильнейших цунамигенных землетрясений Проведенное исследование представляет собой новый подход к проблеме сопряженных сколов Риделя. Его результаты позволят совершенствовать прогноз цунамигенных землетрясений. Представляется, что после Суматринского 2004 г., Чилийского 2010 г., и Японского землетрясения 2011 г. проблема поиска принципиальных различий между очагами сильнейших землетрясений R’, сопровождающихся цунами, и очагами столь же сильных землетрясений R, но не генерирующими это катастрофическое явление в океане, является актуальной. Благодарим за внимание! Да хранит нас Бог!
