СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОГО ТИПА ПОДВИЖЕК В ОЧАГАХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
METHOD FOR DETERMINING KINEMATIC TYPE OF MOTIONS IN EARTHQUAKE SOURCES

Предлагаемое решение относится к сейсмологии и может быть использовано для технического контроля состояния литосферы в процессе разрушения горных пород в глубинах литосферы по кинематическому типу подвижек в очагах землетрясений при инструментальной регистрации землетрясений и обработке данных.
Геодинамические процессы, происходящие в недрах Земли, постоянно деформируют и перемещают горные породы твердой верхней оболочки планеты - литосферы. Самое наглядное проявление этих процессов "течения горных масс" (Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. М.: Наука, 1985. 405 с), длившихся миллионы лет - гигантские горные хребты и глубокие впадины, возникшие в результате вертикального вздымания и опускания крупных блоков земной коры, горизонтального сжатия и растяжения литосферы. Перемещения плит и блоков литосферы за гораздо более короткое время выявляются при полевых геолого-геофизических и GPS (Global Positioning System) наблюдениях и, особенно наглядно и просто, при геодезической съемке. В некоторых странах мира геодезические съемки проводятся с XIX столетия. Существует три главных типа геодезической съемки. Два из них позволяют определить величину горизонтальных движений: в первом случае с помощью небольших телескопов измеряются углы между установленными на местности реперами, и этот вид съемки называется триангуляцией. Во втором случае по протяженным профилям измеряют длину линий между реперами - это трилатерация с измерением сторон прилегающих друг к другу треугольников. Современная технология таких измерений использует отражение света (иногда луча лазера) от зеркала, укрепленного на вершине отдаленной горы; при этом измеряется время, за которое свет проходит данное расстояние в оба конца. Третий тип съемки - это нивелирование, т.е. определение величины вертикальных движений путем многократных измерений разности высот различных пунктов местности. При этом измеряется разность в высотном положении вертикальных деревянных реек, устанавливаемых у закрепленных реперов. Повторяя наблюдения, обнаруживают изменения, возникающие в период между съемками. Все три геодезических метода наблюдения за движениями поверхности земной коры показывают, что в тектонически и сейсмически активных районах, таких как Калифорния, Япония и Байкальский регион, горизонтальные и вертикальные перемещения имеют значительные величины. Результаты съемок в стабильных и асейсмичных областях (например, древних массивах Канадского и Австралийского щитов, Сибирской платформы) позволяют сделать вывод о том, что за последнее столетие здесь произошли незначительные перемещения.
Хорошей иллюстрацией того, как деформируется и движется земная кора в сейсмически активном районе, могут служить сведения по Калифорнии, где геодезические измерения начали проводить в 1850 году. Геодезические данные, полученные после Сан-Францисского землетрясения 1906 г., способствовали формированию первых представлений о природе генерации землетрясений. Американский сейсмолог Г.Ф. Рид сравнил результаты трех циклов триангуляционных измерений, выполненных по профилям, которые пересекали отрезок разлома Сан-Андреас на участке вспарывания 1906 г.: измерения, проведенные в 1851-1865 гг., в 1874-1892 гг.и сразу же после землетрясения (Reid H.F. The mechanics of the earthquake. California earthquake of April 18, 1906. Rep. of the state investigation commiss. 1910. Carnegie Inst, of Washington. Vol. 2. pt. 1. 56 p.). Он отметил, что удаленные друг от друга точки на разных сторонах разлома Сан-Андреас за 50 лет переместились в горизонтальном направлении на d=3.2 метра, и в рамках теории упругого последействия эта величина соответствует упругому сжатию (деформированию) блока земной коры. Это позволило Г.Ф. Риду предположить, что упругая отдача деформированных горных пород является непосредственной причиной землетрясений, и это предположение с течением времени подтвердилось.
Землетрясения формируют "быструю" сейсмотектоническую компоненту "течения горных масс", медленные перемещения осуществляются посредством геологического крипа (Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. М.: Наука, 1985. 405 с). В настоящее время общепринято, что тектоническое землетрясение возникает в результате разрядки напряжений, накопленных в упругих горных породах очага (сейсмического источника, earthquake source) при тектонической деформации (Костров Б. В. Неустановившееся распространение трещин продольного сдвига // Прикладная математика и механика. 1966. Т. 30. Вып. 6. С. 1042-1049.; Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975. 175 с.; Das S., Aki K. Fault plane with barriers: a versatile earthquake model // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. P. 5658-5670.; Das S., Kostrov B.V. Breaking of a single asperity: Rupture process and seismic radiation // J. Geophys. Res. 1983. V. 88. P.4277-4288.; Das S., Kostrov B.V. An investigation of the complexity of the earthquake source time function using dynamic fault models // J. Geophys. Res. 1988. V. 93. P. 8035-8050.). Тектонические землетрясения реализуются как быстрое смещение очагового блока, обусловленное накоплением деформации в упруго напряженных горных породах литосферы (Ризниченко Ю.В. Проблемы сейсмологии. М.: Наука, 1985. 405 с.). Там, где нет дополнительного деформирования, горные породы и блоки среды находятся в устойчивом равновесном состоянии с примерно постоянным уровнем деформации, и, обычно, отсутствуют землетрясения (Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. 101 с.). Появление дополнительных градиентных по объему напряжений и деформаций нарушает устойчивость горных пород, создает области концентрации напряжений и деформаций (очаги тектонических землетрясений), в которых реализуются землетрясения. В пластичных и сыпучих средах упругие деформации невозможны, так как при медленных нагружениях в них происходит постоянная диссипация напряжений и энергии. Поэтому очаги тектонических землетрясений возникают только в твердой литосфере, преимущественно в верхней части упруго деформируемой земной коры (Chen W. -P., Molnar P. Focal depth of intracontinental and intraplate earthquakes and their implications for the thermal and mechanical properties of the lithosphere // J. of Geophys. Res. 1983. V. 88. P. 4183-4214.). В монолитной неразрушенной среде подвижка в очаге и смещение блока литосферы происходит при превышении предела прочности горных пород и приводит к уменьшению упругих деформаций в объеме всего блока в ходе его смещения к положению равновесия (к состоянию с пониженными упругими деформациями). Однако чаще всего при землетрясении быстрая подвижка блока горных пород происходит по поверхности ослабленной прочности - разлому. В обоих случаях землетрясение отражает собой быстрый переход потенциальной энергии, накопленной в теле очагового блока в процессе упругого деформирования горных пород литосферы, в основном в энергию сейсмотектонической деформации очаговой среды (более 90%) и частично в энергию сейсмических колебаний и тепло (Ключевский А.В., Демьянович В.М., Джурик В.И. Оценки энергии сейсмотектонических деформаций литосферы Байкальской рифтовой зоны // Вулканология и сейсмология. 2013. №4. С. 40-56.).
Совершаемое при землетрясении перемещение блока земной коры в трехмерном пространстве литосферы Земли может быть горизонтальным, вертикальным и горизонтально-вертикальным. Для описания этих движений, характеризующих кинематический тип подвижки в очаге землетрясения, в сейсмологии используют устоявшиеся термины структурной и динамической геологии. Так при движении блока литосферы вверх перемещение характеризуется подвижкой типа "взброс" или, при очень пологом движении, "надвиг". При движении блока литосферы вниз перемещение характеризуется подвижкой типа "сброс", а при близвертикальном опускании - "чистый сброс". При горизонтальном движении блока литосферы перемещение характеризуется подвижкой типа "сдвиг", к которому дается дополнительное определение правосторонний или левосторонний, в зависимости от того, какой блок совершает перемещение при подвижке в очаге землетрясения - правый или левый от разлома. Поскольку движение блока происходит в трехмерном пространстве литосферы, то и перемещение часто бывает более сложным - горизонтально-вертикальным. Например, при горизонтальном сдвиге происходит вертикальный подъем или опускание блока, и тогда кинематический тип подвижки характеризуется как взбросо-сдвиг или сбросо-сдвиг соответственно.
В сейсмологии типы подвижек служат генеральными индикаторами общего перемещений блоков геосреды (сейсмического течения горных масс по Ю.А. Ризниченко [Ризниченко Ю.В. Расчет скорости деформации при сейсмическом течении горных масс // Изв. АН СССР. Физика Земли. №10. 1977. С. 23-31.]) и определяются при анализе "механизма очага землетрясения" (фокального механизма). Механизм очага землетрясения характеризует и описывает кинематические параметры произошедшего сейсмического события [Введенская А.В. Определение полей смещений при землетрясениях с помощью теории дислокаций // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1956. №3. С. 277-284.]. Само событие формируется быстрой подвижкой блока горных пород по поверхности ослабленной прочности (разлому или узкой зоне повышенной трещиноватости), сопровождается излучением сейсмических волн, которые несут в себе информацию о пространственной ориентации осей главных приложенных напряжений, плоскостей разрывов и типе подвижки в очаге землетрясения. В качестве информации о фокальном механизме используются, главным образом, знаки первых вступлений продольных Р-волн. На сейсмических станциях, расположенных по разные стороны от эпицентра землетрясения, первые импульсы Р-волн на сейсмограммах являются разнонаправленными и подчиняются определенной закономерности. Так, приходящие в разных азимутах первые смещения Р-волн показывают направленность либо от очага (сжатие на сейсмостанции, знак "плюс"), либо к очагу (растяжение на сейсмостанции, знак "минус"). Распределение разных знаков на стереографической проекции градусной сети шара (обычно сетки Вульфа) часто позволяет провести две перпендикулярные линии, отделяющие области расширения (растяжения) от областей сжатия. Эти линии получили название "нодальных", они образуют 4 квадранта, причем соседние квадранты имеют разные знаки вступлений, а противоположные - одинаковые. При стандартных построениях механизмов очагов региональных землетрясений используется картина полярности первых вступлений объемных сейсмических волн, записанных сейсмостанциями региональных сетей. В случае сильных землетрясений параметры механизма очага определяются также с помощью моделирования длиннопериодных телесейсмических записей (The Harvard Centriod Moment Tensor catalogue CMT (http.//www.Seismology.harvard.edu/CMTsearch.html)).
Чтобы объяснить наблюдаемое распределение знаков первых вступлений сейсмических волн, было предложено несколько теоретических моделей очага с разными системами сил, действующих в точечном источнике. Основными типами точечных источников являются: сосредоточенная сила и диполи (двойная сила). В работах (Кейлис-Борок В.И. К вопросу об исследовании источников, эквивалентных очагам землетрясений/Труды Геофиз. института АН СССР, М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1950. №9 (136), с. 20-42.; Введенская А.В. Исследование напряжений и разрывов в очагах землетрясений при помощи теории дислокаций. М.: Наука, 1969, 134 с; Введенская А.В. Сейсмодинамика М.: Наука, 1984, 143 с.) показано, что источник типа двойного диполя (комбинация двух диполей) с моментом или без момента наилучшим образом удовлетворяет наблюденным данным. Нами предложена универсальная модель катастрофы омбилики (Klyuchevskii A.V. An umbilic catastrophe as a model of rock failure in earthquakes // National Seismological Review of Russia 2007-2010. P. 107-114. DOI: 10.2205/2011-IUGG-NRR2007-2010).
Из описанного выше ясно, что в настоящее время основным способом определения типа подвижек в очагах землетрясений являются решения фокальных механизмов, содержащие определения знаков первых смещений объемных Р-волн на сейсмических станциях, установленных на поверхности Земли. Затем знаки первых смещений объемных Р-волн проектируются на экваториальную стереографическую проекцию градусной сети шара (сетку Вульфа), проходящую через центр очага землетрясения. На этой проекции проводят нодальные линии и находят направление подвижки по разлому (угол RAKE) между простиранием разлома и вектором подвижки. В зависимости от величины и знака угла RAKE определяют кинематический тип подвижки в очаге землетрясения: Недостатки решения:
- фокальные механизмы определяют только для небольшой части достаточно сильных землетрясений;
- неопределенность полученных решений фокальных механизмов связана с числом используемых вступлений Р-волн на сейсмостанциях;
- нет формализованных оценок погрешностей в определении фокальных механизмов;
- при ограниченном числе сейсмических станций решения фокальных механизмов бывают неустойчивы.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ определения упругих деформаций в очагах землетрясений (патент RU 2639267), содержащий этапы, на которых:
- на основе экспериментальных материалов разнесенных на поверхности сейсмических станций строят карту эпицентров землетрясений исследуемой территории;
- определяют кинематические и динамические характеристики толчков по амплитудам и периодам сейсмических колебаний;
- по сейсмическим моментам землетрясений, площади разрыва и скорости объемных поперечных S-волн вычисляют смещение D в очаге землетрясения и длину L очага землетрясения;
- определяют упругую деформацию в очаге землетрясения ε как отношение смещения в очаге к длине очага ε=D/L;
- выполняют статистическую обработку полученных результатов;
P
- получают формулы корреляционной связи между логарифмом упругих деформаций lgε и энергетическим классом землетрясений K исследуемой территории.
Недостатки решения:
- достоверность и точность полученной информации зависит от числа используемых сейсмических станций;
- из-за различных геолого-геофизических условий формирования очагов землетрясений в разных регионах сопоставление деформации возможно в статистическом представлении;
- разный кинематический тип подвижки в очаге землетрясения формирует различные деформации в очагах землетрясений одного энергетического класса.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков путем разработки способа определения кинематического типа подвижек в очагах землетрясений с целью технического контроля состояния литосферы в процессе разрушения горных пород в глубинах литосферы.
Способ определения кинематического типа подвижек в очагах землетрясений, при котором по экспериментальным материалам разнесенных на поверхности сейсмических станций строят карту эпицентров землетрясений исследуемой территории, по амплитудам и периодам сейсмических колебаний на каждой сейсмической станции определяют кинематические и динамические параметры исследуемого землетрясения, при этом по гипоцентральному расстоянию, максимальной амплитуде и периоду сейсмических колебаний на записях объемной поперечной.S-волны каждой сейсмостанции вычисляют сейсмический момент, по данным всех сейсмостанций создают выборку-массив сейсмических моментов этого землетрясения, по выборке-массиву сейсмических моментов вычисляют средний сейсмический момент землетрясения и его стандартное отклонение, сопоставляют средний сейсмический момент с калибровочным значением сейсмического момента землетрясения такого же энергетического класса, определяют кинематический тип подвижки в очаге землетрясения с учетом стандартного отклонения.
Изобретение поясняется чертежами, где:
v
Hmax
hmin
Фиг. 1. Классификационная схема Е.М. Андерсона (Anderson Е.М. The dynamics of faulting. Edinburg, 1951. 206р.) для относительных величин напряжений в регионах со сбросовым, сдвиговым и надвиговым типом подвижки в очагах землетрясений. Соответствующие фокальные механизмы показаны справа. Из (Zoback М.D., Zoback M.L. State of stress in the  lithosphere. In: International handbook of earthquake and engineering seismology, 2002. Part A. 559-568pp.). S - вертикальное напряжение, соответствующее весу вышележащего вещества, S - максимальное главное горизонтальное напряжение и S - минимальное главное горизонтальное напряжение.
LH
P
Фиг. 2. Карта эпицентров и изолиний плотности эпицентров в площадках 0.2°×0.3°, построенная для 52700 землетрясений Байкальского региона (1964-2013 годы). 1 - основные разломы, 2 - впадины, 3 - озера, 4 - границы и номера районов, 5 - изолинии плотности эпицентров, 6 - эпицентры представительных землетрясений с магнитудой M≥2.5 (энергетический класс K≥8).
P
Фиг. 3. Карта эпицентров землетрясений Байкальского региона за 1968-1994 годы, у которых определены сейсмические моменты. 1 - основные разломы, 2 - впадины, 3 - озера, 4 - границы и номера районов, 5 - эпицентры представительных землетрясений с энергетическим классом K≥8.
P
w
P
w
Фиг. 4. Калибровочные графики зависимости логарифма сейсмического момента от энергетического класса землетрясений Байкальского региона с разными кинематическими типами подвижки в очагах (Сброс, Сдвиг, Взброс). Реализация способа представлена на примере двух землетрясений: землетрясение 05.12.2014; 18-04-19.7; ϕ=51.37° N, λ=100.63° Е; энергетический класс K=13.9; моментная магнитуда M=4.9 (кинематический тип подвижки -"сбросо-сдвиг"); афтершок 05.12.2014; 18-25-09.3; ϕ=51.36° N, λ=100.65° Е; K=11.9; M=4.2 (кинематический тип подвижки - "сброс").
Техническая сущность способа состоит в следующем:
0
0
0
0
0
0
0
-2
-2
Применяемые в сейсмологии модели очага землетрясения характеризуются параметрами, число которых зависит от сложности и детализации описания очага и, естественно, от имеющегося фактического материала. Поскольку детальные исследования очага землетрясения требуют привлечения больших усилий, ресурсов и значительного времени, их можно осуществить только для ограниченного числа чрезвычайно важных, обычно очень сильных, сейсмических событий. При ограниченном фактическом материале для решения ряда задач возможны приближения, при которых сейсмический очаг можно описать небольшим числом параметров, характеризующих физические доминанты землетрясения (Ключевский А.В. Сравнительное исследование сейсмометрических каналов с магнитной и гальванометрической регистрацией // Автореферат диссертации канд. техн. наук. М.: ИФЗ АН СССР. 1986. 21 с.). В качестве примера приведем "угловую точку" амплитудного спектра Фурье, уровень Ф и частота ƒ которой дают однозначное параметрическое представление сейсмического источника по выделенной энергии (сейсмическому моменту М) и длине разрыва L (Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология. М.: Мир, 1983. Т. 1, 2. 880 с.). Выбор модели очага при сравнении наблюдаемых и теоретических спектров обычно определяется законом изменения уровня спектра в высокочастотной области на участке выше частоты "угловой точки". У подавляющего большинства спектров объемных поперечных S-волн изменение уровня спектра в зависимости от частоты происходит по закону ω, что согласуется с формулами теоретической модели очага Д. Бруна (Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // J. of Geophys. Res. 1970. V. 75. P. 4997-5009.). Эта модель сейсмического источника широко применялась раньше (Кузнецова К.И., Аптекман Ж.Я., Шебалин Н.В., Штейнберг В.В. Афтершоки последействия и афтершоки развития очаговой зоны Дагестанского землетрясения / Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 94-113.;  М.Е., Healy J.H. Determination of source parameters of small earthquakes from P - wave rise time // Bull. Seism. Soc. Amer. 1973. V. 63. N2. P. 599-614.; Doornbos D.J. On the determination of radiated seismic energy and related source parameters // Bull. Seism. Soc. Amer. 1984. V. 74. N2. P. 395-415.; Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент / Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 9-27.; Ризниченко Ю.В., Джибладзе Э.А., Болквадзе И.Н. Спектры колебаний и параметры очагов землетрясений Кавказа / Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 74-86.) и часто используется за рубежом при определении параметров сейсмических источников (Atkinson G.М., Somerville P.G. Calibration of time history simulation methods // Bull. Seism. Soc. Amer. 1994. V. 84. N2. P. 400-414.; Wald D., Heaton T. Spatial and temporal distribution of slip for the 1992 Landers, California earthquake // Bull. Seism. Soc. Amer. 1994. V. 84. P. 668-691.; Atkinson G. M., Boore D. M. Ground motion relation for eastern north America // Bull. Seism. Soc. Amer. 1995. V. 85. P. 17-30.; Jackson D.D., Aki K., Cornell C.A. et al. Seismic hazards in southern California: probable earthquakes, 1994 to 2024 // Bull. Seism. Soc. Amer. 1995. V. 85. N2. P. 379-439. и другие работы). В динамической трещинной модели Д. Бруна (Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // J. of Geophys. Res. 1970. V. 75. P. 4997-5009.), используемой для определения параметров очагов землетрясений Байкальского региона (Ключевский А.В. Напряжения, деформации и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны. Автореф. дис… докт. геол. -мин. наук. Иркутск: ИЗК СО РАН. 2008. 31 с), дислокация происходит в результате мгновенного приложения тангенциального импульса к внутренней стороне разрыва. В дальней зоне амплитудный спектр импульса смещения в области низких частот представляется в виде участка с постоянной спектральной плотностью Ф, вычисляемой из амплитуды и периода максимального смещения "почвы", а в области высоких частот спектр аппроксимируется зависимостью понижения уровня спектра по закону ω. Пересечение этих двух прямых в двойном логарифмическом масштабе спектральной плотности и частоты задает характерную "угловую точку" с координатами Ф и ƒ, где ƒ - частота "угловой точки". В модели очага Д. Бруна сейсмический момент землетрясения вычисляется по формуле
0
θϕ
3
где М - сейсмический момент, дн см, ρ=2.7 г/см - плотность среды, V=3.58 км/сек - скорость распространения объемных поперечных S-волн, r - гипоцентральное расстояние, км, Ψ=0.6 - значение функции направленности излучения из очага.
θϕ
0
В предлагаемом способе определения кинематического типа подвижки в очагах землетрясений сейсмический момент определяют из записей объемных поперечных S-волн толчка на каждой регистрирующей сейсмической станции. В соответствии с ф. 1 используют постоянные (π, ρ, V, Ψ) и переменные параметры - гипоцентральное расстояние r, зависящее от удаления эпицентра землетрясения от сейсмостанции, и спектральная плотность Ф, которую вычисляют по амплитуде и периоду максимального смещения S-волн на каждой сейсмостанции (Ключевский А.В. Сравнительное исследование сейсмометрических каналов с магнитной и гальванометрической регистрацией // Автореферат диссертации канд. техн. наук. М.: ИФЗ АН СССР. 1986. 21 с.; Ключевский А.В., Демьянович В.М. Динамические параметры очагов сильных землетрясений Байкальской сейсмической зоны // Физика Земли. 2002. №2. С. 55-66.; Klyuchevskii A.V. Seismic moments of earthquakes in the Baikal rift zone as indicators of recent geodynamic processes // Journal of Geodynamics. 2004. V. 37/2. P. 155-168.). В Байкальском регионе достаточно сильные землетрясения регистрируются обычно всеми 25 сейсмическими станциями Байкальского филиала Единой геофизической службы РАН (http://www.seis-bykl.ru/). При благоприятных условиях регистрации по записям S-волн на каждой сейсмостанции определяют сейсмические моменты землетрясения, и затем формируют выборку-массив из 25 сейсмических моментов этого землетрясения. По этой выборке-массиву вычисляют средний сейсмический момент землетрясения и его стандартное отклонение. Технология реализации способа основана на представлениях очага землетрясения моделью очага Д. Бруна (Brune J.N. Tectonic stress and the spectra of seismic shear waves from earthquakes // J. of Geophys. Res. 1970. V. 75. P. 4997-5009.). При использовании других моделей очага техническая сущность и технология реализации предлагаемого способа не изменяется.
0
P
Для определения типа подвижки в очаге землетрясения используют калибровочные графики зависимости логарифма сейсмического момента от энергетического класса землетрясений Байкальского региона (Фиг. 4). При получении калибровочных графиков сейсмические моменты были определены у землетрясений, имеющих решения фокальных механизмов (Ключевский А.В. Напряжения, деформации и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны. Автореф. дис… докт. геол. -мин. наук. -Иркутск: ИЗК СО РАН. - 2008. - 31 с.; Ключевский А.В., Демьянович В.М., Джурик В.И. Иерархия сильных землетрясений Байкальской рифтовой системы // Геология и геофизика. 2009. Т. 50. №3. С. 279-288.). По пересечению "линий" логарифма сейсмического момента lgM и энергетического класса K землетрясения на калибровочном графике (см. Фиг. 4) определяют кинематический тип подвижки в очаге землетрясения, а стандартные отклонения сейсмического момента указывают пределы возможных вариаций типа подвижки.
Сравнение предлагаемого технического решения с другими известными решениями в области сейсмологии землетрясений (решениями фокальных механизмов) показывает следующее:
P
P
Фокальные параметры позволяют охарактеризовать напряженное состояние среды, структуру и кинематический тип подвижки в зоне разлома, в пределах которой произошло землетрясение (Фиг. 1). Это информация уникальна, так как нет прямых способов определения и параметрического описания геофизического состояния горных пород в глубинах литосферы. Понимание важности решения этой проблемы в Прибайкалье пришло давно (Мишарина Л.А. Напряжения в очагах землетрясений Монголо-Байкальской зоны // Поле упругих напряжений Земли и механизм очагов землетрясений. М.: Наука, 1972. С. 161-171) и на протяжении более полувека в регионе ведется систематическое определение фокальных механизмов землетрясений с энергетическим классом K≥10. Информация о фокальных параметрах сильных землетрясений Прибайкалья опубликована во множестве литературных источников, но, к сожалению, единой опубликованной базы данных пока нет. Использованная нами для работы выборка решений фокальных механизмов сильных землетрясений Прибайкалья собрана из различных литературных источников с целью сопоставления с сейсмическими моментами землетрясений (Ключевский А.В., Демьянович В.М., Джурик В.И. Иерархия сильных землетрясений Байкальской рифтовой системы // Геология и геофизика. 2009. Т. 50. №3. С. 279-288.). Результаты статистической обработки фокальных параметров 335 землетрясений с K≥10, произошедших с 1950 по 1998 год в Прибайкалье, характеризуют распределения имеющихся в выборке решений фокальных механизмов. В пределах Байкальского региона (ϕ=48°-60° с.ш., λ=96°-122° в.д.) выборка обеспечена 265 решениями фокальных механизмов.
P
W
P
P
Анализ общей выборки показал, что слабо обеспечены материалами территории, граничащие с Монголией, Алтае-Саянской областью и Якутией, а число ежегодных определений механизмов варьирует от 0 до 25 при среднем уровне около шести толчков в год. Число решений фокальных механизмов возрастает в 1990-е годы за счет привлечения менее сильных толчков с K=10, однако и в эти годы оно не превышает 25 событий в год. Можно отметить, что такой положительный тренд согласуется с динамикой частоты решений тензора момента центроида (СМТ) для землетрясений мира с моментной магнитудой M≥5.0 - с 1976 по 1998 годы частота определений возросла с 0.04 до 0.50 (оценки по http://earthquake.usgs.gov/eqarchives/sopor и www.globalcmt.org). В целом решения фокальных механизмов Прибайкалья отражают часть сильных землетрясений региона и не могут считаться представительными (более 50%) для толчков с энергетическим классом K≥13 (Таблица 1). Для СМТ - решений за 1976-2010 годы средняя представительность около 40% и сопоставима с представительностью толчков с K=13.
Таблица 1
Представительность выборки фокальных механизмов землетрясений Прибайкалья
1
1
Примечание: n - число толчков, зарегистрированных в "Каталоге землетрясений Прибайкалья" за 1950-1998 годы, n - число землетрясений в выборке, имеющих решение фокальных механизмов за 1950-1998 годы, n/n×100, % - представительность данных, в процентах.
1
2
1
2
1
2
N
S
R
N
S
R
1
N
S
R
2
При классификации толчков по кинематическому типу подвижки землетрясения разделены на три группы в соответствии с величиной и знаком угла подвижки по разлому: взброс (45°≤RAKE≤135°, число толчков-взбросов по первой нодальной плоскости NP=64, по второй нодальной плоскости NP=61); сдвиг (-44°≤RAKE≤44°; -180°≤RAKE≤-136; 136°≤RAKE≤180°, NP=73, NP=85) и сброс (-135°≤RAKE≤-45°, NP=198, NP=189). Доминирование сбросов характеризует напряженное состояние литосферы региона по полной выборке решений фокальных механизмов как режим преобладающих горизонтальных растяжений. Однако суммарное число сдвигов и взбросов, формирующихся в условиях преобладания горизонтального сжатия среды, составляет примерно 40%, что свидетельствует о существенной роли такого напряженного состояния литосферы. Полученное соотношение отражает пространственно-временную неоднородность напряженного состояния среды, для описания которой проведена следующая формализация: отношение числа толчков-сбросов, сдвигов и взбросов к общему количеству землетрясений в выборке характеризует относительную частоту реализации P, P и P толчков соответствующего типа (Ключевский А.В., Демьянович В.М., Джурик В.И. Иерархия сильных землетрясений Байкальской рифтовой системы // Геология и геофизика. 2009. Т. 50. №3. С. 279-288.). В полной выборке данных о фокальных механизмах землетрясений частоты равны P≈0.59, P≈022, P≈0.19 для плоскости NP и P≈0.57, P≈0.25, P≈0.18 для плоскости NP. Следует отметить, что с ростом энергетического класса землетрясений частота реализации уменьшается для выборок сбросов и взбросов, но повышается для выборок сдвигов.
Недостатки применяемых методов:
P
- механизмы очагов землетрясений определяют только для небольшой части достаточно сильных землетрясений с K≥10;
- представительность выборки составляет всего 6.7% и поэтому не может быть значимой и достоверной;
- достоверность полученных решений фокальных механизмов зависит от числа используемых сейсмостанций;
- при ограниченном числе сейсмических станций решения фокальных механизмов бывают неустойчивы;
- нет формализованных оценок погрешностей в определении фокальных механизмов;
- не определены механизмы очагов слабых землетрясений.
Предлагаемый способ позволяет исключить эти недостатки и является шагом к формализованному определению типа подвижки в очагах землетрясений путем определения среднего по массиву сейсмического момента землетрясения и сопоставления с калибровочным графиком. Так представительность определения сейсмических моментов землетрясений Байкальского региона достигает почти 95% (Таблица 2).
Таблица 2
Оценки представительности выборки землетрясений Байкальского региона, у которых определены сейсмические моменты
1
1
Примечание: n - число зарегистрированных землетрясений, n - число землетрясений, имеющих определение динамических параметров очагов, n/n, % - представительность используемого материала, в процентах.
P
P
P
P
P
По данным о 143 землетрясений с K≥11, происшедших в регионе с 1968 по 1994 гг.и имеющих определение сейсмического момента и фокального механизма, выполнена "калибровка" уровня логарифма среднего сейсмического момента  по типу подвижки в очаге. Средние уровни , соответствующие доминантным подвижкам определенного типа, вычислены для выборок толчков каждого энергетического класса. Границы перехода между подвижками различного типа определены с использованием этих уровней и диапазона  между уровнями в предположении линейной аппроксимации  от типа подвижки в очаге с возрастанием в следующей последовательности: сброс; сбросо-сдвиг; сдвиг; сдвиго-взброс и взброс. В Таблице 3 и Таблице 4 представлены "калиброванные" значения  для землетрясений с K=7, … K=14, соответствующие переходам между кинематическими типами подвижек в очаге. В предлагаемом способе калибровочные значения играют роль границ между типами подвижек при землетрясениях данного энергетического класса. В результате определяют кинематический тип подвижки в очаге землетрясения с K=7, … K=14 с учетом стандартного отклонения.
Таблица 3
P
"Калиброванные" значения логарифма среднего сейсмического момента  сильных землетрясений с K≥11, соответствующие переходу от одного кинематического типа подвижки в очаге к другому
Таблица 4
P
"Калиброванные" значения логарифма среднего сейсмического момента  землетрясений с 7≤K≤10, соответствующих переходу от одного кинематического типа подвижки к другому
Не выявлено в результате поиска и сравнительного анализа технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, обеспечивающих при использовании достижения аналогичных результатов, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".
Пример реализации способа.
LH
P
Предлагаемое техническое решение реализовано для Байкальского региона следующим образом: сетью сейсмических станций региона осуществляется запись землетрясений, на записях измеряются моменты вступления, амплитуды и периоды сейсмических колебаний и по ним вычисляются кинематические и динамические характеристики толчков, которые формируют "Каталог землетрясений Прибайкалья" и "Бюллетень землетрясений Прибайкалья". На Фиг. 2 представлена карта эпицентров 52700 представительных землетрясений с магнитудой M≥2.5 (энергетический класс K≥8) и изолиний их плотности в площадках 0.2°×0.3°, зарегистрированных в Байкальском регионе с 1964 по 2013 годы. Можно отметить, что землетрясений такого класса регистрируются в пределах региона без пропусков, т.е. являются представительными. Анализ карты показывает, что эпицентры землетрясений локализуются в области Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), за ее пределами сейсмичность рассеяна и минимальна на Сибирской платформе. Изолинии плотности эпицентров в площадках 0.2°×0.3° позволяют установить особенности распределения землетрясений по территории БРЗ и выбрать сравнительно однородные районы и участки. По внешнему контуру изолинии n=15 (линия типа "hachure") рифтовую зону можно разделить на три района. На юго-западном фланге БРЗ (район 1, ϕ=48.0°-54.0° с.ш., λ=96.0°-104.0° в.д.) эпицентры формируют полосы преимущественно субширотной и субмеридиональной ориентировки, в результате чего сейсмичность рассеяна по территории. В центральной части БРЗ (район 2, ϕ=51.0°-54.0° с.ш., λ=104.0°-113.0° в.д.) эпицентры толчков создают одну полосу северо-восточного простирания. На северо-восточном фланге БРЗ (район 3, ϕ=54.0°-60.0° с.ш., λ=109.0°-122.0° в.д.) эпицентральное поле землетрясений имеет форму "треугольника". Районы разделены пополам по долготе λ=100.0°, λ=108.0° и λ=116.0° на шесть участков, которым даны номера 1-6, начиная отсчет с юго-западной границы региона. Такая схема деления территории региона обычно применяется при исследовании сейсмичности и напряженно-деформированного состояния литосферы БРЗ [Ключевский А.В. Напряжения и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны // Физика Земли. 2007. №12. С. 14-26.; Ключевский А.В., Демьянович В.М., Джурик В.И. Иерархия сильных землетрясений Байкальской рифтовой системы // Геология и геофизика. 2009. Т. 50. №3. С. 279-288.].
P
0
P
На Фиг. 3 представлена карта эпицентров землетрясений Байкальского региона с энергетическим классом K≥8 за 1968-1994 годы, у которых определены динамические параметры очагов - сейсмические моменты М, радиусы дислокации R, падения напряжений Δσ и смещение по разлому D (Ключевский А.В. Напряжения, деформации и сейсмичность на современном этапе эволюции литосферы Байкальской рифтовой зоны. Автореф. дис… докт. геол. -мин. наук. Иркутск: ИЗК СО РАН. 2008. 31 с). При сопоставлении Фиг. 2 и Фиг. 3 видно, что пространственное распределение эпицентров землетрясений за разные временные интервалы сохраняется, а оценки представительности из Таблицы 2 свидетельствуют, что почти все землетрясения на карте имеют определения динамических параметров очагов. Это, в свою очередь указывает, что почти для всех зарегистрированных землетрясений с K≥7 имеется возможность определить кинематический тип подвижки в очаге по предлагаемому способу.
P
W
P
W
0
0
P
0
P
0
В качестве примера реализации способа на Фиг. 4 представлены результаты определения кинематического типа подвижки в очагах двух землетрясений, произошедших 05.12.2014 на юго-западном фланге БРЗ. Эти два толчка произошли в акватории оз. Хубсугул (главное землетрясение 05.12.2014; 18-04-19.7; ϕ=51.37° N, λ=100.63° Е; энергетический класс K=13.9; моментная магнитуда M=4.9 и его афтершок 05.12.2014; 18-25-09.3; ϕ=51.36° N, λ=100.65° Е; K=11.9; M=4.2). Главное землетрясение и афтершок были записаны 25 станциями на гипоцентральных расстояниях от 42 км (сейсмостанция "Монды") до 1334 км (сейсмостанция "Тупик"). По записям на каждой из 25 станций были определены сейсмические моменты толчков (по формуле 1) и по этим двум выборкам-массивам вычислены значения среднего сейсмического момента и его стандартного отклонения для землетрясения (lgM=24.20±0.15) и афтершока (lgM=23.08±0.19). На Фиг. 4 представлены калибровочные графики зависимости логарифма сейсмического момента от энергетического класса землетрясений Байкальского региона с разными кинематическими типами подвижки в очагах (Сброс, Сдвиг, Взброс). Видно, что пересечение "линии" энергетического класса K=13.9 с "линией" среднего по выборке-массиву сейсмического момента lgM=24.20±0.15 определяет кинематический тип подвижки в очаге главного землетрясения (косой крестик) как "сбросо-сдвиг" на уровне двух стандартных отклонений. На Фиг. 4 видно, что пересечение "линии" K=11.9 с "линией" lgM=23.08±0.19 определяет кинематический тип подвижки в очаге афтершока как "сброс" на уровне двух стандартных отклонений. По решению фокальных механизмов (знаков первых смещений объемных Р-волн) Байкальского филиала Единой геофизической службы РАН [http://www.seis-bykl.ru/] и по решению тензора момента центроида в Гарвардском университете [International Seismological Centre, Online Bulletin, http://www.isc.ac.uk, Internatl. Seismol. Cent. Thatcham, 2013] кинематический тип подвижки главного землетрясения определен как сбросо-сдвиг. Для афтершока кинематический тип подвижки не определен в этих и прочих центрах, он впервые определен нами в настоящем патенте.
Получаемую по предлагаемому техническому решению информацию по контролю кинематического типа подвижек в очагах землетрясений можно использовать для характеристики сейсмической обстановки и опасности на территориях возможного промышленного и гражданского строительства, т.е. предлагаемое решение соответствует условию патентоспособности изобретения "промышленная применимость". Информацию по контролю в литосфере изменения типа кинематического типа подвижек в очагах землетрясений можно использовать в качестве предвестника сильных землетрясений, т.е. предлагаемое решение соответствует условию патентоспособности изобретения "фундаментальность".