Способ построения векторного пространственно-временного поля тектонических напряжений и выделения блоков-концентраторов на территории неограниченной площади
METHOD OF CONSTRUCTING VECTOR SPACE-TIME FIELD OF TECTONIC STRESSES AND ISOLATING BLOCK-CONCENTRATORS IN UNLIMITED AREA

Изобретение «Способ построения векторного пространственно-временного поля тектонических напряжений и выделения блоков-концентраторов на территории неограниченной площади» предназначено для: построения векторного поля, структурно подобного полю тектонических напряжений на территорию неограниченной площади с помощью наибольшего градиента мощности разностного слоя; вычисления пространственно-временной динамики векторного поля дифференцированных тектонических напряжений на территорию неограниченной площади с помощью наибольшего градиента мощности разностного слоя; определения блоков-концентраторов тектонических напряжений; вычисления дифференциации векторного поля тектонических напряжений в пределах тектонических элементов; определения типа тектонического напряжения между тектоническими блоками - с целью достижения экономического и социального эффекта в результате локализации областей концентрации тектонических напряжений для крупномасштабного сейсмического районирования, территориального планирования, предпроектной экологической экспертизы территорий освоения критичными инженерными сооружениями и подземными хранилищами опасных веществ, мониторинга безопасности территориальной инфраструктуры, для систем прогнозирования тектонических движений и сейсмических проявлений различной магнитуды.
Известен способ автоматического мониторинга тектонических напряжений и количественного прогноза мелких землетрясений (Патент US №5675088 А, МПК, G01N 33/24; G01B 7/24; Е21В 47/00; G01V 1/00) [1]. Метод заключается в измерении продольных тектонических напряжений в буровых скважинах на месте разломов активных землетрясений и прогнозировании новых землетрясений по сети станций мониторинга. Станции мониторинга выстраиваются вдоль плоскости разлома, и значения продольных напряжений могут быть получены на протяжении всей зоны разлома. Все станции мониторинга связаны с центральной машиной сбора данных, так что в режиме реального времени происходит анализ изменений тектонических напряжений и возможно получение прогнозов предстоящих сейсмических событий. Каждый зонд скважины работает в трех режимах определения роста трещин: периодически, апериодически и автоматически при новом расширении стен скважины, и определяет максимальные и минимальные векторы продольного напряжения. Каждая станция мониторинга включает канал связи для передачи данных со скважины в центральный офис и получения оперативных команд управления. К недостаткам метода относятся:
- трудоемкость, заключающаяся в необходимости использования большого количества аппаратного и программного обеспечения и инструментального мониторинга по всем очагам активных землетрясений;
- локальная фиксация тектонических напряжений при отсутствии данных по обширным прилегающим площадям, в пределах которых и совершаются тектонические процессы, обусловливающие формирование блоков-концентраторов тектонических напряжений в очагах активных землетрясений, что существенно затрудняет прогнозирование;
- отсутствие сведений о пространственно-временной динамике тектонических процессов за период геологического времени достаточный для выявления закономерности процессов формирования блоков-концентраторов тектонических напряжений в очагах активных землетрясений;
- отсутствие возможности:
а) вычисления векторного пространственно-временного поля тектонических напряжений, формирующих блоки-концентраторы тектонических напряжений;
б) вычисления пространственно-временных закономерностей движения тектонических элементов.
Предлагается способ построения векторного пространственно-временного поля тектонических напряжений и выделения блоков-концентраторов на территории неограниченной площади, к задачам которого относятся:
- построение векторного поля, структурно подобного полю тектонических напряжений на территорию неограниченной площади с помощью наибольшего градиента мощности разностного слоя;
- вычисление пространственно-временной динамики векторного поля дифференцированных тектонических напряжений на территорию неограниченной площади с помощью наибольшего градиента мощности разностного слоя;
- определение блоков-концентраторов тектонических напряжений;
- вычисления дифференциации векторного поля тектонических напряжений в пределах тектонических элементов;
- определение типа тектонического напряжения между тектоническими блоками.
Способ основан на парадигмах:
- структурного соответствия системы эмпирически объективных иерархических единиц географического пространства структуре поля энергии, порождающего эти единицы [2];
- структурного соответствия системы тектонических течений в реальной геологической среде иерархии тектонических блоков и разделяющих их разломов [3];
- взаимной зависимости и дополняемости процессов поступательного движения, вращения и деформации элементарных объемов геологической сплошной среды [3];
- структурного соответствия пространственного распределения гипсометрических параметров рельефа и величины тектонических напряжений в реальной геологической среде с ее реологическими свойствами [4].
К начальным условиям осуществления действий относятся:
- гравитационно-динамическая модель рельефа на территорию исследования должна иметь масштаб, достаточный для трассирования ложбин стока, представляющих долины водотоков первого порядка;
- равномерная решетка в декартовой системе координат на территорию неограниченной площади, в узлах которой вычисляется наибольший градиент мощности разностного слоя, должна иметь шаг, соответствующий масштабу исходной матрицы высот;
- вычисление наибольшего градиента мощности разностного слоя производится в декартовой системе координат.
К инструментам, осуществляющим действия, относятся программные автоматизированные модули:
- модуль «Gravity» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612044) [5] - модуль построения гравитационно-динамической модели рельефа, корректной к гидрологической сети.
Гравитационно-динамическая модель рельефа строится по данным топографической съемки местности с использованием алгоритма, основанного на гравитационном переносе вещества. Учитываются особенности рельефа, такие как уступы, речные долины. В результате получается гидрологически корректная цифровая модель рельефа.
- модуль «Гидросеть» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015662855) [6] - модуль автоматизированного ранжирования порядка водотоков. Модуль формирует элементы гидрологической сети в рекурсивную структуру. В результате обработки полученной структуры выявляются морфометрические характеристики гидрологической сети, в том числе порядки водотоков по классификации Философова-Страллера.
- модуль «Изолиния» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015662854) [7] - модуль автоматизированного поиска в каждой четверти прямоугольной системы координат с началом координат в текущем узле решетки изогипсопахит, ближайших к узлу решетки;
- модуль «Градиент» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015663010) [8] - модуль автоматизированного вычисления наибольшего градиента мощности разностного слоя между базисными поверхностями смежных порядков в каждом узле решетки;
- модуль «Блок» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015662853) [9] - модуль автоматизированного вычисления направления и относительной скорости движения блока путем построения результирующего вектора из геометрического центра блока в направлении всех узлов решетки, попадающих в блок.
Существенные отличия
Предложенный способ построения векторного пространственно-временного поля тектонических напряжений на территорию неограниченной площади, вычисленного через наибольший градиент мощности разностного слоя между базисными поверхностями (далее БП), фиксирующими положение поверхностей выравнивания смежного геологического возраста. Наибольший градиент мощности разностного слоя является интегрированной мерой нескольких параметров и обеспечивает расчет направления и относительной скорости перемещения тектонических блоков, типов тектонического взаимодействия блоков (напряжение сжатия, напряжение растяжения), а также выявления закономерностей пространственно-временной динамики тектонических движений на территорию неограниченной площади, выявления блоков-концентраторов тектонических напряжений.
В качестве параметра, характеризующего значения относительной скорости и направления исторического движения блока, применяется величина и направление наибольшего градиента мощности разностного слоя блока за конкретный период геологического времени. Векторная составляющая наибольшего градиента мощности разностного слоя указывает на направление движения, а величина наибольшего градиента мощности разностного слоя равна относительной скорости движения тектонического блока по сравнению с соседними тектоническими блоками.
Построение векторного пространственно-временного поля структурно подобного полю тектонических напряжений на территорию неограниченной площади производится в соответствии с разработанным В.П. Философовым [10] методом выявления тектонических движений земной коры в результате сравнительного анализа высотного положения базисных поверхностей смежного геологического возраста, построенных относительно тальвегов однопорядковых водотоков, что основано на эмпирически установленном В.П. Философовым факте: чем выше порядок долин, тем древнее эти долины, а однопорядковые долины примерно одного геологического возраста.
Для выявления блоков современного тектонического строения территории используется гравитационно-динамическая модель рельефа, корректная относительно гидрологической сети и масштаба, достаточного для трассирования ложбин стока, представляющих долины водотоков первого порядка, построенная модулем «Gravity» (Фиг. 1). Модель корректно отображает уступы рельефа и речные долины, что обеспечивает объективное выделение границ тектонических элементов. Границы современных тектонических элементов (блоков, линеаментов, узлов) выделяются визуально с помощью стандартных геоинформационных инструментов создания полигональных объектов.
Для построения базисных поверхностей территории модулем «Гидросеть» автоматизированно ранжируется порядок водотоков (Фиг. 2).
С использованием стандартных ГИС-инструментов построения растровых поверхностей строятся растровые карты базисных поверхностей по отметкам высот, расположенных по линии пересечения тальвегов водотоков соответствующего порядка с гравитационно-динамической моделью рельефа территории корректной относительно гидрологической сети (Фиг. 3). Высотное положение базисных поверхностей, построенных по отметкам высот пересечения тальвегов водотоков первого и второго порядков с гравитационно-динамической моделью территории корректной относительно гидрологической сети, приближенно характеризует вертикальные тектонические движения четвертичного времени, третьего порядка - вертикальные тектонические движения у границ плиоцен-четвертичного, а четвертого порядка - плиоценового времени. Высотное положение базисных поверхностей более высоких порядков примерно равняется алгебраической сумме вертикальных тектонических движений за более длительный промежуток времени. Указанная зависимость высотного положения базисных поверхностей от возраста вертикальных тектонических движений установлена В.П. Философовым на основании наблюдений в пределах юго-западной части Оренбургской области [4].
С использованием стандартных ГИС-инструментов строятся растровые карты мощности разностного слоя между смежными базисными поверхностями путем вычитания значения высоты (в метрах) в каждой точке базисной поверхности старшего (третьего, четвертого и т.д.) порядка из значения высоты в каждой точке базисной поверхности младшего (второго, третьего и т.д.) порядка (Фиг. 4). Мощность разностного слоя между базисными поверхностями указывает на смещение местности по высоте за промежуток времени, прошедший между образованием долин смежных порядков. При этом положительные разности высот между базисными поверхностями соответствуют восходящим тектоническим движениям, а отрицательные - нисходящим.
Мощность разностного слоя представляется в виде изолиний одинаковой мощности разностного слоя (изогипсопахитах), построенных с использованием стандартных ГИС-инструментов и наложенных на картосхему современного блокового строения территории (Фиг. 5).
Строится векторное пространственно-временное поле тектонических напряжений, структурно подобное полю тектонических напряжений территории, исходя из очевидного условия, что граням тектонических блоков, которые испытывают наибольшие тектонические напряжения, принадлежат наибольшие отметки высот.
Модулем «Изолиния» задается область (экстент) территории, на которую будет строиться векторное поле. Экстент задается координатами начальной и конечной точек в декартовой системе координат, которые соответствуют нижней левой и верхней правой координатам границ рассматриваемой территории. Строится равномерная решетка с постоянным шагом и началом координат в нижней левой точке экстента. Для каждого узла решетки производится поиск изогипсопахит, относительно которых можно построить вектор, проходящий через выбранный узел. Вводится прямоугольная декартовая система координат с началом координат в текущем узле решетки и в каждой четверти введенной прямоугольной системы координат ищется изогипсопахита, ближайшая к началу координат (узлу решетки).
Модулем «Градиент» производятся вычисления наибольшего градиента мощности разностного слоя между базисными поверхностями смежных порядков в каждом узле решетки (Фиг. 6). Из найденных в модуле «Изолиния» изогипсопахит выбирается изогипсопахита с наименьшим значением мощности разностного слоя, на которой ищется точка, расстояние от которой до узла решетки наименьшее. Через найденную точку и точку узла решетки строится прямая и определяется точка пересечения с ближайшей изогипсопахитой, расположенной в противоположной четверти относительно узла решетки. По значениям выбранных изогипсопахит вычисляется наибольший градиент мощности разностного слоя в данном узле решетки. Значение наибольшего градиента мощности разностного слоя для каждого узла решетки заносится в таблицу «Градиент», содержащую координаты узла решетки, величину градиента и направление вектора.
Вычисляются параметры дифференциации тектонических напряжений в пределах тектонического блока по значениям величин наибольших градиентов мощности разностного слоя относительно узлов решетки, попадающих в границы каждого тектонического блока.
Модулем «Блок» вычисляется относительная скорость и направление движения каждого тектонического блока. Из геометрического центра блока строятся вектора в направлении всех узлов решетки, попадающих в рассматриваемый блок. По формуле суммирования векторов вычисляется результирующий вектор, являющийся наибольшим градиентом мощности разностного слоя тектонического блока, где величина относительной скорости равна модулю градиента, а направление вектора тектонического блока является направлением движения блока (Фиг. 7).
Наибольший градиент мощности разностного слоя, обеспечивая расчет направления и относительной скорости перемещения тектонических блоков, типа тектонического взаимодействия блоков, закономерности пространственно-временной динамики тектонических движений, выявления блоков-концентраторов тектонических напряжений.
Выявление блоков-концентраторов тектонических напряжений производится в соответствии с положениями тектонофизики структурированной среды: 1) тектонические напряжения, порождаемые взаимодействием структур высшего порядка, распределяются неравномерно, концентрируясь на неоднородностях структур низших порядков; 2) иерархия структур низших порядков порождает в геологической среде неоднородное поле напряжений с концентраторами разных размеров и интенсивности; 3) в поле напряжений деформации в области концентраторов напряжения достигают предельных значений раньше, чем в других частях системы; пространственно-временная структурная перестройка блока-концентратора определяется как величиной тектонического напряжения, так и реологическими свойствами блоков [3].
Блоки-концентраторы тектонических напряжений выявляются по центростремительному направлению градиентов мощности разностного слоя окружающих блоков, характеризующих их движение к блоку-концентратору.
Определяется тип тектонического напряжения между блоками. Напряжение сжатия (Фиг. 8) фиксируется по факту конвергенции наибольшего градиента мощности разностного слоя, напряжение растяжения (Фиг. 9) - по факту дивергенции наибольшего градиента мощности разностного слоя соседних блоков.
На основе сравнительного анализа картосхем полей тектонических напряжений, относящихся к разным периодам геологического времени, прослеживается пространственно-временная динамика тектонических движений территории.
Порядок выполнения действий
1. Модулем «Gravity» строится гравитационно-динамическая модель рельефа, корректная относительно гидрологической сети и масштаба, достаточного для трассирования ложбин стока. Визуально выделяются современные тектонические элементы: блоки, линеаменты, узлы (Фиг. 1) с помощью стандартных инструментов создания полигональных объектов.
2. Модулем «Гидросеть» автоматизировано ранжируется порядок водотоков (Фиг. 2).
3. С использованием стандартных ГИС-инструментов, данных гравитационно-динамической модели рельефа, полученной из модуля «Gravity» и ранжированных водотоков из модуля «Гидросеть», строится серия растровых карт базисных поверхностей различного порядка. Каждая базисная поверхность строится по отметкам высот, расположенных по линии пересечения тальвегов водотоков соответствующего порядка с гидрологически корректной гравитационно-динамической моделью рельефа (Фиг. 3). При построении БП k-го порядка в расчет берутся восстановленные высоты водотоков от k+1 до n порядков, где n - это количество порядков учитываемых водотоков.
4. С использованием стандартных ГИС-инструментов на основании базисных поверхностей различного порядка строится серия растровых карт мощности разностного слоя (Фиг. 4). Карты составляются путем вычитания значения высот в каждой точке базисной поверхности старшего (второго, третьего, четвертого и т.д.) порядка из значения высот в каждой точке базисной поверхности младшего (первого, второго, третьего и т.д.) порядка.
5. По данным карт мощности разностного слоя с использованием стандартных ГИС-инструментов строится графическое отображение мощности разностного слоя в изолиниях одинаковой мощности разностного слоя (изогипсопахитах) (Фиг. 5).
6. С использованием стандартных ГИС-инструментов производится наложение слоя в изогипсопахитах на картосхему современного блокового строения территории, выявленную в результате анализа гравитационно-динамической модели рельефа из модуля «Gravity».
7. Модулем «Изолиния» задается область (экстент) территории, на которую будет строиться векторное поле. Экстент задается координатами начальной (нижняя левая) и конечной (верхняя правая) точек. Строится равномерная решетка с постоянным шагом. Координаты начальной точки экстента совпадают с начальными координатами решетки. Задается шаг по осям координат 0Х и 0Y, и строится решетка в указанной области с выбранным шагом ΔΧ и ΔΥ. Для каждого узла построенной решетки производится поиск изогипсопахит, относительно которых можно построить вектор, проходящий через выбранный узел. Для этого вводится прямоугольная декартовая система координат с началом координат в текущем узле решетки (XI, Y1). В каждой четверти введенной прямоугольной системы координат ищется изогипсопахита, ближайшая к началу координат (узлу решетки).
8. Модулем «Градиент» для каждого узла решетки производятся вычисления наибольшего градиента мощности разностного слоя между базисными поверхностями смежных порядков (Фиг. 6).
8.1. Из всех найденных в модуле «Изолиния» ближайших к узлу решетки изогипсопахит выбирается одна с наименьшим значением мощности разностного слоя. Если оказывается, что узел находится внутри области одной изогипсопахиты, это означает, что в данной точке поле находится в состоянии покоя и вектор не определен.
8.2. На выбранной изогипсопахите ищется точка (Х2, Y2), расстояние от которой до узла решетки наименьшее. Через найденную точку и точку узла решетки проводится прямая, которая строится по формуле (1):
a
y=+b×x, (1)
где у - значения координат прямой по оси OY,
а
- коэффициент смещения, вычисляемый по формуле (2),
b - коэффициент наклона прямой, определяемый по формуле (3),
x - значения координат прямой по оси ОХ.
a
=Y1-b×X1, (2)
где X1, Υ1 - координаты узла решетки,
Х2, Υ2 - координаты точки на изогипсопахите.
8.3. Определяется точка (Х3, Υ3) пересечения прямой с изогипсопахитой, ближайшей к узлу решетки и расположенной в противоположной четверти относительно узла решетки. Если значение найденной изогипсопахиты совпадает со значением выбранной изогипсопахиты, то вектор определить невозможно, и выбирается ближайшая к узлу изогипсопахита из следующей четверти и далее до тех пор, пока не будет найдена изогипсопахита, значение которой не совпадает со значением выбранной изогипсопахиты.
8.4. Вычисляется градиент мощности разностного слоя между выбранными изогипсопахитами. При переходе с одной изогипсопахиты на другую значение функции поля меняется. Изменение поля обозначим через Δu. Величина изменения поля зависит от расстояния (Δr) и направления. Отношение Δu/Δr характеризует изменение поля на единицу длины в заданном направлении и вычисляется по формуле (4):
где  - единичные векторы осей ОХ и ΟΥ соответственно,
Δu - изменение значения поля при переходе из одной изогипсопахиты в другую,
Δr - наименьшее расстояние между двумя изогипсопахитами.
Первый множитель формулы 4 является вектором, модуль которого характеризует величину поля, называется градиентом поля и обозначается gradu. Градиент определяется по формуле (5):
Второй множитель формулы 4 характеризует направление движения в заданной точке, а частные производные являются направляющими косинусами углов, образованных направлением перемещения с соответствующими осями координат, заданные через формулы (6):
где α - угол между направляющей линией и осью абсцисс,
β - угол между направляющей линией и осью ординат.
Значение наибольшего градиента мощности разностного слоя для каждого узла решетки заносится в таблицу «Градиент», содержащую геометрию узла решетки, величину градиента и вектор направления.
9. Выявляются характеристики дифференциации тектонических напряжений в пределах тектонического блока, которые определяются значением величины наибольших градиентов мощности разностного слоя относительно узлов решетки, попадающих в границы каждого тектонического блока.
10. Модулем «Блок» определяется относительная скорость и направление движения каждого тектонического блока. Из геометрического центра блока строятся вектора в направлении всех узлов решетки, попадающих в рассматриваемый блок. По формуле суммирования векторов (7) вычисляется результирующий вектор в пределах блока и строится наибольший градиент мощности разностного слоя из геометрического центра блока.
Χ=∑(Xi), Υ=∑(Yi), (7)
где Χ, Υ - координаты результирующего вектора,
Xi, Yi - координаты i-го вектора блока.
11. Определяются блоки-концентраторы тектонических напряжений по центростремительному направлению градиентов мощности разностного слоя окружающих блоков, характеризующих их движение к блоку-концентратору (Фиг. 7).
12. Определяется тип тектонического напряжения между блоками. Напряжение сжатия (Фиг. 8) фиксируется по факту конвергенции наибольшего градиента мощности разностного слоя, напряжение растяжения (Фиг. 9) - по факту дивергенции наибольшего градиента мощности разностного слоя соседних блоков относительно разделяющих блоки разломов.
13. Прослеживается пространственно-временная динамика тектонических движений территории на основе сравнительного анализа картосхем поля тектонических напряжений, относящихся к разным периодам геологического времени.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - Гравитационно-динамическая модель рельефа, построенная модулем «Gravity»: а) - тектонические блоки Закубанской равнины, б) - тектонический блок Адыгейского структурного выступа.
На фигуре 1 изображен фрагмент гравитационно-динамической модели рельефа, построенной модулем «Gravity».
Фиг. 2 - Автоматизированное ранжирование порядка водотоков модулем «Гидросеть».
На фигуре 2 изображено рабочее окно модуля «Гидросеть». На примере гидрологической сети реки Сахрай продемонстрировано автоматизированное ранжирование водотоков. В качестве картографической основы выступает растровая отмывка рельефа в градациях серого.
Фиг. 3 - Растровые карты базисных поверхностей, построенные по отметкам высот, расположенных по линии пересечения с гравитационно-динамической моделью рельефа территории тальвегов водотоков: БП-1 - первого порядка; БП-2 - второго порядка; БП-3 - третьего порядка; БП-4 - четвертого порядка.
На фигуре 3 изображена серия растровых карт базисных поверхностей. В условных обозначениях цветовой шкалой показана высота поверхности в метрах. На карте подписаны основные тектонические элементы региона, административные границы Республики Адыгея.
Фиг. 4 - Растровые карты мощности разностного слоя между смежными базисными поверхностями: БП 1-2 - первого и второго порядка; БП 2-3 - второго и третьего; БП 4-3 - третьего и четвертого порядка.
На фигуре 4 изображена серия растровых карт мощности разностного слоя между базисными поверхностями. В условных обозначениях цветовой шкалой показана мощность разностного слоя в метрах. На карте подписаны основные тектонические элементы региона, административные границы Республики Адыгея.
Фиг. 5 - Карта мощности разностного слоя в изогипсопахитах, наложенная на картосхему современного блокового строения территории.
На фигуре 5 изображен фрагмент карты разностного слоя в изогипсопахитах. Темными линиями отображены границы элементов современного блокового строения территории.
Фиг. 6 - Нормированный наибольший градиент мощности разностного слоя между базисными поверхностями смежных порядков в каждом узле решетки.
На фигуре 6 изображен фрагмент карты нормализованных градиентов мощности разностного слоя в узлах решетки, вычисленных модулем «Градиент». Нормализация произведена с целью более наглядного отображения градиентов на фигуре. Нормализованный градиент сохраняет направление исходного градиента, а длина равна единице и получается путем деления градиента на величину его размера.
Фиг. 7 - Векторное поле направления и относительной скорости горизонтального перемещения блоков по данным мощности разностного слоя между базисными поверхностями: БП 1-2 - первого и второго порядка; БП 2-3 - второго и третьего; БП 3-4 - третьего и четвертого порядка. Блок концентратор - Лагонаки.
На фигуре 7 изображена схема тектонических блоков с вычисленными результирующими градиентами мощности разностного слоя блоков между базисными поверхностями первого, второго, третьего и четвертого порядков. Направление градиента указывает на направление движения, а его величина на относительную скорость движения блока. Цветом выделен блок-концентратор тектонических напряжений. На схеме подписаны основные тектонические элементы региона.
Фиг. 8 - Тектоническое напряжение сжатия между блоками.
На фигуре 8 изображен фрагмент карты градиентов мощности разностного слоя в каждом узле решетки, характеризующими напряжение сжатия между блоками.
Фиг. 9 - Тектоническое напряжение растяжения между блоками.
На фигуре 9 изображен фрагмент карты градиентов мощности разностного слоя в каждом узле решетки, характеризующими напряжение растяжения между блоками.
В качестве модельной территории рассмотрим территорию Республики Адыгея.
Модулем «Gravity» построена гравитационно-динамическая модель рельефа территории Республики Адыгея. Выделены современные тектонические элементы территории: блоки, линеаменты, узлы (Фиг. 1).
Модулем «Гидросеть» автоматизировано ранжируется порядок водотоков (Фиг. 2).
По отметкам высот, расположенных по линии пересечения тальвегов водотоков соответствующего порядка с гидрологически корректной матрицей высот территории построена серия базисных поверхностей (БП) 1, 2, 3 и 4 порядков (Фиг. 3).
Путем вычитания значений высот в каждой точке базисной поверхности старшего (второго, третьего, четвертого и т.д.) порядка из значений высот в каждой точке базисной поверхности младшего (первого, второго, третьего и т.д.) порядка разработаны карты мощности разностного слоя между базисными поверхностями смежных порядков (Фиг. 4).
По данным карт разностного слоя построено графическое отображение мощности разностного слоя в изолиниях одинаковой мощности разностного слоя (изогипсопахитах) (Фиг. 5). Произведено наложение слоя в изогипсопахитах на картосхему современного блокового строения территории.
Для каждого тектонического блока модулем «Градиент» произведено вычисление наибольшего градиента мощности разностного слоя между базисными поверхностями смежных порядков в узлах решетки с длиной стороны 250 м (Фиг. 6). Наибольший градиент мощности разностного слоя измеряется в метрах на единицу расстояния в один метр.
Расчет наибольшего градиента мощности разностного слоя относительно изогипсопахит в узлах равномерной решетки показал возможность отображения характера дифференциации тектонических напряжений в пределах тектонических элементов в их исторической динамике, оценки сравнительной величины тектонического напряжения в точках его наибольшего приложения.
Значение наибольшего градиента мощности разностного слоя для каждого узла решетки занесены в таблицу «Градиент», содержащую геометрию узла решетки, величину градиента и вектор направления.
Выявлены характеристики дифференциации тектонических напряжений в пределах тектонических блоков, которые определяются значением величины наибольших градиентов мощности разностного слоя относительно узлов решетки, попадающих в границы каждого тектонического блока.
С помощью программного модуля «Блок» определены относительная скорость и направление движения каждого тектонического блока путем вычисления результирующего наибольшего градиента мощности разностного слоя из геометрического центра блока (Фиг. 7).
Определен блок-концентратор тектонических напряжений по центростремительному направлению по отношению к блоку-концентратору наибольших градиентов мощности разностного слоя со стороны окружающих его блоков.
Исследована дифференциация значений наибольшего градиента мощности разностного слоя между базисными поверхностями 2, 3, 4 порядков (возраста от начала плиоцена до конца четвертичного периода), спроецированные на современное блоковое строение территории.
Векторное поле направления и относительной скорости горизонтального перемещения блоков по данным мощности разностного слоя между базисными поверхностями БП-3 и БП-4 (Фиг. 7: БП 3-4) показало, что в плиоцене блоки в северо-западной части исследуемой территории отличались малой относительной скоростью горизонтального движения, которое было направлено к югу, в сторону осевой зоны Большого Кавказа. Эта тенденция направления горизонтального движения блоков сохранялась в западной части территории до долгоживущего коромантийного Ахтырского разлома. На остальной части территории картина поля тектонических напряжений все более дифференцировалась в направлении Главного Кавказского хребта, свидетельствуя о сложной системе стесненных деформаций. От области Скалистого хребта к югу скорости горизонтального и вертикального движения блоков резко возрастали. Тектонический блок Нагорья Лагонаки выступал концентратором тектонических напряжений, так как к этой структуре направлены наибольшие градиенты мощности разностного слоя всех окружающих блоков. В области Северо-Юрской депрессии и Пшекиш-Тырныаузской зоны отмечается тенденция к растяжению.
Векторное поле тектонических напряжений разностного слоя между базисными поверхностями БП-2 и БП-3 (Фиг. 7: БП 2-3) свидетельствует о том, что на территории от Азово-Кубанского прогиба до Ахтырского разлома и Северо-Юрской депрессии отмечаются изменения по сравнению с БП 3-4 в направлении движения блоков, но уровень интенсивности тектонических взаимодействий в целом сохраняется. К югу от Северо-Юрской депрессии по сравнению с БП 3-4 интенсивность тектонических взаимодействий уменьшается. Нагорье Лагонаки продолжает выступать в качестве блока-концентратора тектонических напряжений.
В конце четвертичного периода (Фиг. 7: БП 1-2) интенсивность тектонических взаимодействий в среднегорно-высокогорной части республики продолжает снижаться. Нагорье Лагонаки остается блоком-концентратором тектонических напряжений. В области Северо-Юрской депрессии отмечается тенденция к сжатию.
Таким образом, анализ гипсометрического положения базисных поверхностей и поля наибольшего градиента мощности разностного слоя, структурно подобного эндогенному полю энергии в фокусе земной поверхности и интерпретируемого относительно блокового строения территории, показывает логичные, соответствующие современным представлениям о тектонических процессах на территории исследования, историческую картину движения и взаимодействия блоков и подтверждает инструментальные данные о пульсационном характере тектонических взаимодействий.
Определены типы тектонического напряжения между блоками. Напряжение сжатия (Фиг. 8) фиксируется по факту конвергенции наибольшего градиента мощности разностного слоя, напряжение растяжения (Фиг. 9) - по факту дивергенции наибольшего градиента мощности разностного слоя соседних блоков относительно разделяющих блоки разломов.
Прослежена пространственно-временная динамика тектонических движений территории на основе сравнительного анализа картосхем поля тектонических напряжений, относящихся к разным периодам геологического времени.
Таким образом, пространственно-временной морфометрический анализ позволил получить представление о дифференциации скорости вертикальных и относительной скорости горизонтальных тектонических движений по территории исследования и динамике формирования тектонического рельефа за плиоцен-четвертичное время.
Параметры пространственно-временной дифференциации наибольшего градиента мощности разностного слоя тектонических элементов, структурно подобного полю тектонических напряжений, являющегося интегрированной мерой сравнительной скорости и направления движения тектонических блоков, величины тектонического напряжения и реологических свойств блоков, служат информационной базой для расчета поворотного момента блоков, восстановления исторической картины их тектонических движений и деформаций на обширных территориях, выявления блоков-концентраторов тектонических напряжений. Построение векторного пространственно-временного поля на территорию неограниченной площади, структурно подобного полю тектонических движений подготавливающих сейсмические проявления различной магнитуды в точках концентрации тектонических напряжений, обеспечивает кондиционными данными разнообразные подходы к вычислению локализованных прогнозов сейсмических проявлений и медленных тектонических движений.
Литература
1. US №5675088 А, МПК G01N 33/24; G01B 7/24; Е21В 47/00; G01V 1/00. Method and apparatus for automatic monitoring of tectonic stresses and quantitative forecast of shallow earthquakes.
2. Варшанина Т.П., Плисенко O.A., Солодухин A.A., Коробков В.Н. Структурно-подобная геодинамическая модель Краснодарского края и Республики Адыгея: Монография под ред. Б.И. Кочурова. - Москва-Майкоп: Издательский дом «Камертон», 2011. - 124 с.
3. Гончаров М.А. Введение в тектонофизику: Учебное пособие / М.А. Гончаров, В.Г. Талицкий, Н.С. Фролова; Отв. ред. Н.В. Короноцкий. - М.: КДУ, 2005. - 496 с.
4. Философов В.П. Краткое руководство по морфометрическому методу поиска тектонических структур / В.П. Философов / Под ред. А.А. Корженевского - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1960, - 93 с.
5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007612044 «Программа построения гравитационно-динамической модели рельефа «Gravity», зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18 мая 2007 г.
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015662855 «Программный модуль «Гидросеть», зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 4 декабря 2015 г.
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015662854 «Программный модуль «Изолиния», зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 4 декабря 2015 г.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015663010 «Программный модуль вычисления векторного поля «Градиент», зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 декабря 2015 г.
9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015662853 «Программный модуль вычисления результирующего вектора «Блок», зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 4 декабря 2015 г.
10. Философов В.П. Основы морфометрического метода поисков тектонических структур / В.П. Философов. - Саратов: СГУ, 1975.