О напряженно-деформируемом состоянии земной коры Срединно-Арктического хребта

УДК 550.348

БЕЛЕНОВИЧ Таисия Яковлевна, доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 84 научных публикаций, в т. ч. 8 монографий

О НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРУЕМОМ СОСТОЯНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ СРЕДИННО-АРКТИЧЕСКОГО ХРЕБТА

Геотектоника, деформации земной коры, сейсмичность

Физическая теория тектонических процессов, как известно, заключается в характеристике того, каким образом деформируются и разрушаются различные части земной коры и верхней мантии, какие силы это вызывают. Большое значение придается влиянию времени и физико-механических свойств горных пород на развитие каждого тектонического процесса.

В связи со сложностью познания процессов, происходящих в недрах Земли, для решения многих теоретических и практических задач геодинамики представляется необходимым получение сведений о параметрах сейсмичности и фокальных механизмах очагов землетрясений, а на их количественной основе - сведений о напряженно-деформируемом состоянии земной коры, которое является одним из немногих непосредственных проявлений характера тектонической жизни любого региона.

Современная граница Тихоокеанского и Атлантического сегментов литосферы на севере, как известно, проходит по оси Средин-

но-Арктического хребта, в который территориально входят с северо-запада на юго-восток следующие хребты: Исландский, Мона, Кни-повича, Гаккеля и его материковому продолжению вдоль Верхоянского хребта. Далее эта граница следует до тройного соединения в районе Шантарских о-ов. Под тройным соединением подразумевается распределение вдоль линейной сейсмической зоны хребта Гаккеля через Омолойский грабен и ее разветвление в бухте Буор-Хая. Одна цепочка землетрясений уходит на северо-запад в сторону Оленекско-го залива, вторая протягивается на восток и соединяется с сейсмическим поясом Момско-го рифта [1]. Затем вдоль сейсмического пояса Станового нагорья эта граница продолжается через Байкальскую рифтовую зону и Ал-тае-Саянскую зону новейшего горообразования. Ее продолжение на запад следует вдоль Среднеазиатского сейсмического пояса, переходя затем в зону разломов Оуэн. Эти границы неоднократно были показаны в работе [2].

Мы ограничимся анализом материала только в пределах Срединно-Арктического хребта. Как уже отмечалось выше, для получения сведений о напряженно-деформируемом состоянии земной коры необходимы данные о фокальных механизмах очагов землетрясений, поскольку обобщение последних дает возможность выделять ориентировку, вернее, траектории главных нормальных напряжений: растяжения с2 и сжатия с действующих в очагах. Данные (каталоги) о фокальных механизмах очагов землетрясений в пределах Срединно-Арктического хребта позаимствованы нами из работы [3].

Процесс деформации горных пород при тектонических движениях, сопровождающихся землетрясениями, рассматривается как макроскопически непрерывное течение больших объемов горных масс - «тектоническое течение», упругоразрывную часть которого составляет «сейсмическое течение» [4]. Данное понятие впервые было введено Ю.В. Риз-ниченко в 1965 г. Сейсмическое течение - это связанная с остаточными смещениями в совокупности очагов землетрясений часть общего сейсмотектонического разрывно-непрерывного деформационного движения крупных пространственно-временных областей земной коры и верхней мантии: рост гор, образование впадин, сбросовых, взбросовых, поддвиговых и других тектонических движений.

Ранее было установлено, что скорости смещений при сейсмическом течении горных масс составляют 0,1 долю от новейших тектонических движений для больших значений и 0,01 долю для малых [5].

Далее остановимся на расчетных формулах, которые использовались для определения компонент направляющегося тензора средней сейсмотектонической деформации (СТД).

Подобно тому, как при схематическом рассмотрении каждого отдельного очага вместо сложного неоднородного деформационно-напряженного состояния среды (горных масс) в области очага можно говорить лишь о среднем значении падения деформации на площадке разрыва или в объеме очага, так при рассмотрении компонент направляющего тензора СТД будем говорить о средних показателях в каждом пространственно-временном объеме среды, включающем множество очагов. Кроме того, обобщение данных об ориентировке осей напряжений, определяемых из механизмов очагов землетрясений, дает возможность выделять траектории главных нормальных напряжений: растяжения а2 и сжатия а

При расчетах трех компонент деформаций в очаге нами использовались, как уже отмечалось, определения механизмов очагов землетрясений в пределах Срединно-Арктического хребта из работы [3].

Известно, что для изучения сейсмотектонической деформации используется множество (в исключительных случаях единичные) различно ориентированных очагов землетрясений, падения напряжений в которых представляется в каждом случае в своей локальной системе координат. Для совокупности исследований переходят от локальных к общей географической системе, где оси x, у, z ориентированы следующим образом: x - по параллели на восток, у - по меридиану на юг, z - вверх в зенит. Компоненты тензора деформаций в очаге будут выражены нижеследующими уравнениями [4]:

• 2 -2 -2 -2 sxx — sin х sin at - sin fic x sin ac

2 2 2 2 Syy - sin (fit x cos at - sin fic x cos ac

2 2 szz = COs fi, - COs fic ,

где fit, at, fic, ac известны из определений

механизма очага землетрясений по методике А.В. Введенской [6].

Известно, что угол заключен между осью растяжения Т (о2) и вертикалью г, азимут а( этой оси есть угол, отсчитанный по часовой стрелке между ее горизонтальной проекцией и северным меридианом, соответственно, углы ф и а - для оси сжатия С (о) Преобразование компонент тензора деформаций при переходе из одной системы координат в другую здесь опущено, т.к. это весьма подробно сделано в работе [7].

Из расчетных данных установлено, что в пределах Срединно-Арктического хребта значения компонент тензора деформаций изменяются в довольно широком диапазоне величин от 0,8 (и более) до 0,4? 10"7 и менее. Из теории упругости и пластичности [8] известно, что деформация любого элементарного объема может быть представлена в виде ше-

сти составляющих деформаций: трех деформаций первого рода {ехх; еуу; ), изменяющих

как форму, так и объем тела, и трех сдвиговых деформаций второго рода уху уу; Уп, изменяющих только форму. Поскольку совместный анализ всех шести компонент тензора деформаций затруднителен, в дальнейшем для характеристики объемной деформации мы принимали во внимание и отдавали предпочтение деформациям первого рода, не забывая при этом, что полная деформация объема характеризуется шестью компонентами деформаций.

Обобщение данных об ориентировке осей напряжений, определяемых из механизмов очагов землетрясений, дает возможность выделять траектории главных нормальных напряжений растяжения и сжатия.

На рис. 1 представлена схема полей напряжений в пределах Срединно-Арктического хребта. Показаны диаграммы напряжений

Рис. 1. Схема полей напряжений в пределах Срединно-Арктического хребта: 1 - диаграммы плоскостей скалывания в проекции на верхнюю полусферу стереографической проекции; 2 - блок-схемы деформаций земной коры; 3 - траектории главных нормальных напряжений: растяжения о2, сжатия о1; 4 - границы участков (блоков) с различными: а - полями напряжений, б - деформациями; 5 - простирание Срединно-Арктического хребта

и плоскостей скалывания в проекции на верхнюю полусферу стереографической проекции. Анализируя схему, можно видеть, что в пределах Срединно-Арктического хребта (с юго-востока на северо-запад) поля напряжений изменялись три раза. Стабильное (устойчивое) поле напряжений установлено на континентальной части (в пределах Верхоянского хребта), далее происходит смена поля напряжений в пределах хребта Гаккеля. При этом следует отметить, что в пределах хребта Гаккеля на всем его протяжении отмечено неустойчивое (не стационарное) поле напряжений, особенно это заметно на шельфе моря Лаптевых. Третье изменение поля выявлено в пределах хребта Книповича, Мона и в Исландском хребте. Здесь оно стабильно устойчивое и по характеру ориентации главных нормальных напряжений растяжения а2 и сжатия с1 весьма схоже с аналогичным полем в пределах Верхоянского хребта.

Анализируя ориентацию (азимут простирания) и падение (угол наклона с горизонтом) плоскостей скалывания и сопоставляя эти данные с генеральным направлением СрединноАрктического хребта, можно видеть, что простирание и падение плоскостей в его пределах весьма сложное. На всем протяжении с юго-востока на северо-запад плоскости скалывания периодически переориентировались от блока к блоку. И лишь в отдельных блоках, как это видно на рис. 1, одна из плоскостей скалывания простирается вдоль осевой линии Срединно-Арктического хребта. Здесь же на рисунке в виде блок-схем показаны объемные деформации земной коры, полученные из расчетных данных компонент тензора деформаций {^хх;єуу;є22), на анализе которых остановимся ниже. Длина, ширина и высота параллелепипеда соответствует положительным либо отрицательным расчетным значе-

ниям компонент деформаций в географической системе координат, где, как уже отмечалось, оси х, у, г ориентированы следующим образом: х - по параллели на восток; у - по меридиану на юг; г - вверх в зенит.

Перейдем непосредственно к обсуждению результатов расчета и картирования компонент тензора средней сейсмотектонической деформации.

Элементарные объемы, для которых находились параметры сейсмотектонической деформации, имели размерность 7° по широте и долготе и 33 км по глубине (глубже 33 км землетрясения, у которых определены механизмы очагов, не зафиксированы).

Размер элементарного объема определялся исходя из малочисленности определений параметров механизмов очагов. Минимальное количество землетрясений, входящих в ячейку, составляло 2, максимальное - 5.

На рис. 2-4 приводятся карты компонент

; еуу; егг) тензора сейсмотектонической деформации в пределах Срединно-Арктического хребта. Как видно из карт, на исследуемой территории отчетливо выделяются: Верхоянский хребет, хребты Гаккеля, Книпови-ча, Мона и Исландский хребет. Значения компонент, как уже отмечалось, изменяются в довольно широком диапазоне величин (0,8-0,4)? 10-7. Положительные значения соответствуют растяжению, отрицательные -сжатию вдоль соответствующих осей. Анализируя карты, можно видеть, что Верхоянский хребет характеризуется положительными значениями компонент е22, ех и отрицательными значениями ; хребет Гаккеля на всем своем протяжении характеризуется отрицательными значениями компоненты и положительными значениями компонент , е. Аналогичные значения отмечены и в пределах хребта Книповича. Из этого следует,

что по деформационным процессам хребет Книповича является продолжением хребта Гаккеля. Аналогичное наблюдается и в полях напряжений и типах подвижек в очагах землетрясений (см. рис. 1). В пределах хребта Мона значения компонент по знакам совпадают с их значениями (+, +, -) в пределах Верхоянского хребта. Далее, за хребтом Мона, наблюдается совпадение значений компонент по знакам в пределах хребтов Гаккеля-Кни-повича и Исландского хребта. Сейсмодеформации здесь также совпадают. Последнее заключение убедительно подтверждается определениями сводных фокальных механизмов очагов землетрясений, представленных на рис. 2, и блок-схемами объемных деформаций, показанных в виде параллелепипедов на рис. 1 .

В процессе исследования были получены следующие выводы:

1. В пределах Срединно-Арктического хребта установлено сложное напряженно-де-формируемое состояние земной коры. Поля напряжений и деформаций с юга-востока на северо-запад изменялись три раза. Стабильное (устойчивое) поле напряжений установлено в пределах хребтов: Верхоянского, Кни-повича, Мона и Исландского. В пределах хребта Гаккеля на всем его протяжении отмечено неустойчивое (не стационарное) поле.

2. Границы смены полей напряжений и деформаций в пределах хребта на юго-востоке установлены на шельфе моря Лаптевых - на северо-западе в зоне сочленения хребтов Гак-келя и Книповича. Установленные границы выделены впервые.

Рис. 2. Карта значений компоненты е ^ направляющего тензора средней сейсмотектонической деформации: I - положительные значения е^ : 1. (0,8-0,6)? 10-7; 2. (0,6-0,4)? 10-7; II - отрицательные значения егг: 1. (0,8-0,6)? 10-7; 2. (0,6-0,4)? 10-7; I. 3 - сводные фокальные механизмы очагов землетрясений (закрашена область волн сжатия); II. 3 - простирание Срединно-Арктического хребта

Рис. 3. Карта значений компоненты ех направляющего тензора средней сейсмотектонической деформации. Положительные значения ех. 1 - (0,8-0,6)? 10-7; 2 - (0,6-0,4)? 10-7; 3 - простирание Срединно-Арктического хребта; 4 - участки малочисленных данных определений (до 3) фокальных механизмов очагов землетрясений

Рис. 4. Карта значений компоненты £уу направляющего тензора средней сейсмотектонической деформации: I - положительные значения Єуу: 1 - (0,8-0,6)? 10-7; 2 - (0,6-0,4)? 10-7; II - отрицательные значения £уу: 1 - (0,8-0,6)? 10-7; 2 - (0,6-0,4)? 10-7; 3 - простирание Срединно-Арктического хребта

Список литературы

1. Аветисов Г.П., Голубков В.С. Тектоно-сейсмическое районирование Евроазиатского бассейна Северного Ледовитого океана и сопредельных территорий // Геология и полезные ископаемые севера Сибирской платформы. Л., 1971. С. 66-78.

2. Объяснительная записка к карте новейшей тектоники Арктики и Субарктики масштаба 1:5 000 000 / А.Ф. Грачев, А.М. Карасик и др. М., 1970.

3. Аветисов Г.П. Сейсмоактивные зоны Арктики. СПб., 1996.

4. Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. М., 1985.

5. Беленович Т.Я. Сейсмотектоническая деформация и некоторые временные особенности сейсмичности территорий Киргизии: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Тбилиси, 1983.

6. Введенская А.В. Исследование напряжений и разрывов в очагах землетрясений при помощи теории дислокаций. М., 1969.

7. Ризниченко Ю.В. Расчет скоростей деформации при сейсмическом течении горных масс // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1977. № 10. С. 34-47.

8. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., 1961.

Belenovich Taisiya

ON THE TENSELY-DEFORMED CONDITION OF THE EARTH’S CRUST OF THE MEDIAL-ARCTIC RIDGE

In the article the analysis of results of calculation and mapping of pressure and deformations fields within the limits of an earth’s crust of Medial-Arctic ridge is described. The complex tensely-deformable condition of its separate blocks is revealed.

Рецензент - Губайдуллин М.Г., доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН