Попова О.Г., канд. гел.-мин. наук, с.н.с., Жигалин А.Д., канд. гел.-мин. наук, с.н.с.
Институт геоэкологии им Е.М. Сергеева РАН
ЦИКЛИЧНОСТЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ
СРЕДЫ И ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Известно, что изменения геологической среды во времени в большой степени связаны с тектоническими перемещениями горных пород, фазовыми превращениями и перемещениями флюидов. Подвержена она и всевозможным внешним воздействиям природным (космическим и планетарным), а также антропогенным. Многие внешние природные воздействия носят циклический характер. В проблеме прогноза большое значение имеет выявление цикличности сейсмической активизации под влиянием как непосредственно тектонических процессов внутреннего происхождения, так и внешних факторов, включая гравитационное воздействие Луны и Солнца, изменение скорости вращения Земли и др.
Отмечено изменение микросейсмичности с годовой периодичностью, наиболее вероятной причиной которой называется неравномерность скорости вращения Земли, установленная по продолжительности суток [1], а с этим связаны сезонные изменения сейсмичности [2].
Следует отметить, что в первую очередь в проявлении сейсмической активности играет напряженное состояние среды, которое определяется ее упругими свойствами, трещиноватостью пород и степенью флюидизации. Поэтому одной из наиболее важных задач прогноза сейсмической опасности является раскрытие механизмов взаимодействия различных геофизических полей, выявление цикличности внутренних тектонических процессов и цикличности внешних природных факторов, и самое главное – определение суммарного влияния этих процессов на напряженное состояние среды [1 – 5].
Здесь представлены циклические изменения напряженного состояния среды, выявленные по материалам сейсмического мониторинга, проводимого в регионах с разной тектонической активностью. Это результаты долговременного мониторинга в сейсмоопасном районе Кавказских Минеральных Вод за 7 лет наблюдений (1995–2002 гг.) [6], 2-х летнего мониторинга в платформенном регионе Московского мегаполиса (1997–1998 гг.) [7] и 1,5 летнего мониторинга в слабо сейсмичном районе г. Томска (июль 2008 – декабрь 2009 гг.). Станции на Кавминводской сети работали непрерывно в режиме мониторинга, регистрируя кроме взрывов и местных землетрясений также большое количество далеких событий. Станции Московской и Томской сети регистрировали дальние землетрясения и взрывы.
Для изучения геодинамики и напряженного состояния среды использовалась методика, основанная на оценке энергии обменных волн (волн PS) от далеких землетрясений [6, 7].
Напряженное состояние среды в некоторой точке, согласно используемой методики, оценивается следующими параметрами [6]: 1) показателем анизотропных свойств среды γ под каждой точкой наблюдения в диапазоне глубин (h1–h2), где Ev, Er – энергии радиальной и тангенциальной компоненты записи обменных волн PS, соответственно; 2) интегральным показателем напряженного состояния среды S в районе наблюдений, вычисляемым на основании схем распределения параметра γ по площади сети станций мониторинга в разные интервалы наблюдения. Рассматривалось изменение параметров Ev , Er, γ и S во времени.
Анализ материала мониторинга для района Кавказских Минеральных Вод показал, что на временных рядах Ev(t) и Er(t) для всех точек наблюдения выявляется четкая периодичность изменения этих параметров. Причем, эта периодичность проявляется для разных уровней глубин. Период изменения равен примерно 170–200 дней, в среднем 180–185 дней, то есть 0,5 года. Контрастность полугодовой периодичности выше на глубинах (0–15 км), и ослабевает на больших глубинах. Поскольку энергия обменных волн отражает напряженное состояние среды и ее анизотропные свойства, можно сделать вывод, что напряженное состояние среды в районе Кавминвод изменяется с периодичностью 180–185 дней, причем, верхняя часть земной коры до глубин 15 км более чувствительна к этим изменениям, чем более глубокая ее часть (глубины 15–30 км).
Как показали результаты мониторинга в районе Московского мегаполиса [6], полугодовая периодичность параметров Ev и Er волн PS имеет место и в этом платформенном регионе. Отмечена периодичность изменения показателя напряженного состояния S(t) и в районе Томского полигона (район слабой сейсмической активности), где проводился мониторинг напряженного состояния среды под площадку планируемой атомной станции (площадка Северская). По зависимости S(t) видна четкая годовая периодичность изменения показателя напряженного состояния, полугодовых аномалий не отмечается. Было сделано предположение, что выявленная по материалам мониторинга полугодовая и особенно годовая цикличность изменения состояния сред, различных по своей геодинамической активности, обусловлена изменением скорости вращения Земли и, вероятно, характерна для всей Земли в целом. Однако не исключено и влияние сезонного фактора [1].
В последнее время для оценки геодинамической активности и напряженного состояния среды, а также прогноза землетрясений в разных регионах стали использовать характеристики микросейсмического фона. Амплитудный и спектральный анализ записей микросейсмического фона в районе Кавминвод позволил выявить влияние лунного цикла, период которого равен 29–30 дням, на уровень микросейсмического фона, а, следовательно, и на напряженное состояния среды. Циклическое воздействие лунного цикла на напряженное состояние среды можно также считать повсеместным явлением.
Мониторинг в районе Кавминвод был наиболее длительным, поэтому позволил выявить тренды в изменении параметров Ev, Er, γ и S во времени. Эти тренды были выявлены по суммарным зависимостям для всех станций SEv(t) и SEr(t), а также по зависимости γ(t). При сопоставлении этих зависимостей с проявлениями сейсмической активности, был сделан вывод, что эти тренды отражают тектонический режим района исследований.
Зависимость S(t) за период наблюдений с сентября 1995 г. до конца 2002 г. для всего района Кавминводской сети позволила выявить цикличность изменения показателя напряженного состояния, связанную с подготовкой сильных для района Кавминвод землетрясений с магнитудой М > 4,3 . Усредняющая зависимость S(t)ос дает представление о низкопериодных изменениях напряженного состояния за семилетний интервал времени (1995–2002 г.). Значения S(t) колеблются относительно усредненной зависимости S(t)ос с периодом в среднем 170–180 дней (0,5 года), то есть полугодовые изменения энергии волн PS , о которых речь шла выше, проявляются в изменениях напряженного состояния в течение всего семилетнего интервала наблюдений.
Зависимость S(t)ос состоит из нескольких циклов, длительность которых составляет 2 – 3 года. Каждый цикл завершается проявлением сейсмичности с М > 4,3. Был сделан вывод, что 2–3-х летний цикл является тектоническим циклом подготовки сильных местных землетрясений в этом регионе. Каждый цикл состоит из 3-х фаз: 1 фаза – спад напряженного состояния после выраженной сейсмической активности в регионе, 2 фаза – низкие значения напряженного состояния, 3 фаза – возрастание напряженного состояния при подготовке сейсмической активизации.
Чем больше длительность фазы низких значений величины Sос(или состояния покоя), тем большую магнитуду готовящегося будущего события можно предположить [5, 7]. Закономерное возрастание зависимости S(t)ос после достаточно длительного периода низких значений, можно считать среднесрочным критерием усиления сейсмической активности [7]. Наложение цикличностей за счет внешних природных воздействий является осложняющим фактором, который может являться триггером, ускоряющим разрядку землетрясения. Разрядка землетрясений с М > 4.3 в основном приходятся на суммарный эффект напряженного состояния среды за счет тектонической активности и полугодовой – годовой цикличности.
Таким образом, авторами на основе долговременного мониторинга установлено, что напряженное состояние среды сейсмоопасного региона подвержено циклическим изменениям с разным периодом, Это связано с различными причинами: 1) цикличность за счет тектонических процессов в среде при подготовке местных землетрясений (длительность циклов для разных сейсмоопасных регионов различается), 2) цикличность за счет совместного влияния изменения скорости вращения Земли и сезонного фактора, период которой составляет 0,5 года или 1,0 год, 3) цикличность за счет влияния лунного цикла с периодом 29 – 30 дней.
Для долгосрочного и среднесрочного прогноза землетрясений в разных регионах главнейшей задачей является выявление тектонического цикла подготовки местной сейсмичности, а далее корректировка и уточнение прогноза должны проводиться с учетом наложенных цикличностей за счет влияния внешних природных факторов [7]. Наиболее опасными воздействиями внешних природных факторов, вероятно, являются не циклические (их можно предсказать), а случайные воздействия, которые могут нарушить цикличность тектонического процесса. Выявление всех этих факторов требует постоянного слежения (мониторинга, [4, 5]) за напряженным состоянием среды.
Литература
1. Рулев Б.Г. Годовая периодичность в эмиссии микроземлетрясений и неравномерность вращения Земли / В кн.: Землетрясения и процессы их подготовки. М.: Наука, 1991. – С. 127–138.
2. Барсуков О.М. Годичные вариации сейсмичности и скорости вращения Земли // Физика Земли, № 4, 1994. – С. 96-98.
3. Николаев А.В. Развитие физических основ новых методов сейсмической разведки. Вестник АН СССР, № 3, 1985. – С. 18-27.