Автореферат Соколовой И.Н.

УДК 550.344                                                                          На правах рукописи

 

 

  

 

 

 

 

 

 

СОКОЛОВА ИННА НИКОЛАЕВНА

 

 

 

 

Пространственно-временные вариации поля поглощения  S-волн  в земной коре и верхней мантии  Центральной и Южной Азии

 

 

 

 

 

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы 2010


Работа выполнена в Институте геофизических исследований Национального Ядерного Центра Министерства Энергетики и Минеральных ресурсов Республики Казахстан в г. Алматы.

 

 

Научный консультант:                           доктор физико-математических наук,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

                                                                  профессор  Копничев Ю.Ф.

 

 

Официальные оппоненты:                     доктор физико-математических наук,

                                                                  профессор Сыдыков А.

 

                                                                  доктор физико-математических наук,   

                                                                  Спивак А.А.

                                                                                   

                                                                  доктор физико-математических наук,  

                                                                  Родкин М.В.

 

 

Ведущая организация                            Институт вычислительной математики и

                                                                  математической геофизики

                                                                 Сибирского отделения РАН

 

 

 

 

Защита диссертации состоится  « 09 » апреля 2010 г. в 1600 часов на заседании  Диссертационного  совета Д 14.15.07 при Казахском Национальном Техническом Университете им. К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева 22, нефтяной корпус, конференц. зал.

Факс: 8(7272)92-60-25, e-mail: allnt@kazntu.sci.kz, nich@ntu.kz

 

 

 

Автореферат разослан  « 4 »  марта   2010 г.

 

 

 

 

 

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор                                            Д.М. Шейх-Али

 

 

 


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность исследований. Изучение пространственно-временных вариаций полей скоростей и поглощения короткопериодных поперечных волн важно для анализа геодинамических процессов в земной коре и верхней мантии, в первую очередь, связанных с миграцией флюидов. Это обусловлено очень высокой чувствительностью S-волн к присутствию жидкой фазы. Известно, например, что всего лишь 1% флюида или расплава приводят к уменьшению скоростей S-волн на 10% и резкому увеличению поглощения (В. Хаммонд, Е.Хамприс).

Использование кинематических характеристик поперечных волн для анализа геодинамических процессов затруднено из-за низкой точности определения их времен вступления на фоне коды Р-волны. В последние годы разработан метод функции приемника (receiver function) для относительно длиннопериодных обменных волн типа P-S (Л.П.Винник, Г.Л. Косарев, С.И. Орешин и др.). Этот метод используется для изучения строения литосферы и астеносферы в разных районах земного шара, однако пока неизвестны примеры его применения для анализа сравнительно быстрых геодинамических процессов.

Исследование пространственно-временных вариаций поля поглощения поперечных волн позволяет получить важную дополнительную информацию о процессах миграции флюидов в земной коре и верхней мантии, в частности, в очаговых зонах сильных землетрясений.

До недавнего времени для этих целей использовались главным образом характеристики коды местных землетрясений (обзоры таких публикаций приведены в работах Х.Сато и М.Фелера). Однако интерпретация данных проводилась, как правило, на основе моделей изотропного рассеяния S-волн (К.Аки, Б.Чует, Ю.Ф.Копничев, Х.Сато), что не позволяло получить достаточной разрешающей способности. Это приводило, в частности, к противоречивым результатам – выяснилось, что эффективная добротность, оцениваемая по S-коде, может как уменьшаться, так и возрастать перед сильными землетрясениями (Х.Сато, М.Фелер).

В работах Ю.Ф.Копничева, А.Р.Аракеляна, П.Б. Каазика, О.И.Аптикаевой показано, что на частотах около 1 Гц кода S-волн на записях местных землетрясений, а также кода волн Sn и Lg на региональных расстояниях сформирована главным образом отражениями поперечных волн от многочисленных субгоризонтальных границ в земной коре и верхней мантии.  Это позволило разработать методы более детального изучения пространственно-временных вариаций поля поглощения в литосфере и астеносфере (Ю.Ф.Копничев, А. Нурмагамбетов, О.В.Павлова, О.И.Аптикаева, Н.Н.Михайлова, И.Н.Соколова и др.).

Использование этих методов позволило получить новые данные о некоторых характеристиках геодинамических процессов в районах Евразии. Так, Ю.Ф.Копничевым и А.Нурмагамбетовым показано, что зоны сильного поглощения в земной коре и верхах мантии Тянь-Шаня образуют сеть узких каналов, протягивающихся на многие сотни километров. На основании данных об анизотропии поля поглощения сделаны выводы о существовании течений аномальной мантии в районах    Гиндукуша  и Южно-Каспийской впадины (П.Б.Каазик, Ю.Ф.Копничев и др.).

Естественно, что в перечисленных и некоторых других пионерских работах рассмотрена лишь малая часть вопросов, связанных с изучением пространственно-временных вариаций поля поглощения. Существуют большие возможности использования дополнительной информации, содержащейся в записях землетрясений и взрывов на близких и региональных расстояниях, для анализа геодинамических процессов, в частности, в регионе Центральной и Южной Азии.

До недавнего времени было мало что известно о пространственно-временных вариациях поля поглощения S-волн в земной коре и верхах мантии Центральной и Южной Азии до и после сильных землетрясений. Вместе с тем такая информация очень важна как для изучения процессов в очаговых зонах, так и для решения практических задач сейсморайонирования и среднесрочного прогноза землетрясений.

В регионе Центральной и Южной Азии находится несколько крупных испытательных ядерных полигонов. Значительный интерес представляет изучение пространственно-временных вариаций поля поглощения в  районах полигонов, поскольку есть основания полагать, что длительное интенсивное техногенное воздействие может существенно изменить структуру среды на достаточно больших глубинах в литосфере.

Настоящая работа и посвящена решению этих вопросов.

 

Цель работы и  задачи исследований. Цель работы: изучение геодинамических процессов в  земной коре и верхней мантии Центральной и Южной Азии, в которых важную роль играют эффекты миграции ювенильных флюидов (главным образом по данным о поглощении сейсмических волн).

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1.  Разработка новых методов изучения неоднородностей поля поглощения в земной коре и верхней мантии, основанных на анализе регулярных и нерегулярных волн.

2. Анализ геодинамических процессов, связанных с группированием сильных землетрясений в регионе Центральной и Южной Азии.

3. Исследование неоднородностей поля поглощения в литосфере и астеносфере Тянь-Шаня и их связи с очагами сильных землетрясений.

4. Изучение пространственно-временных вариаций поля поглощения в литосфере и астеносфере Центральной и Южной Азии, связанных с процессами миграции флюидов, в том числе в районах ядерных полигонов.

5. Анализ геодинамических процессов в выделенной ранее аномальной зоне Северного Тянь-Шаня (в связи с возможной подготовкой сильного землетрясения).

Решению этих задач посвящены пять основных разделов диссертации. Кроме того, в приложениях рассматриваются некоторые вопросы, связанные с анализом поля поглощения в других регионах земного шара, а также со свидетельствами процессов миграции ювенильных флюидов, основанными на анализе геохимических данных.

 

Методика исследований. В работе используются известные и разрабатываются некоторые новые методы изучения пространственно-временных вариаций поля поглощения, связанные с анализом регулярных и нерегулярных волн. К новым относятся: методы картирования поля поглощения по соотношению амплитуд P- и S-волн на записях местных карьерных взрывов и глубокофокусных гиндукушских землетрясений, по соотношению амплитуд волн Lg и Pg на записях подземных ядерных взрывов (ПЯВ) и землетрясений, по коде волн Sn и Lg на региональных расстояниях.

 

Научная новизна. Разработаны новые методы, позволяющие получать дополнительную информацию о строении земной коры и верхней мантии на глубинах до 200-250 км (по записям глубокофокусных гиндукушских землетрясений, по коде волн Sn и Lg на расстояниях несколько сотен км и др.).

Впервые выделены пары и группы связанных между собой глубокофокусных и коровых событий в Центральной и Южной Азии (включая печально известные Ашхабадское (1948), Хаитское (1949) и Кашмирское (2005) землетрясения). Рассмотрены физические процессы, которые могут обусловливать появление таких событий (миграция флюидов и перестройка поля напряжений в земной коре).

Установлено, что верхи мантии и земная кора района Семипалатинского испытательного полигона (СИП) характеризуются повышенным поглощением поперечных волн.  В районе китайского ядерного полигона Лобнор (ЛИП) повышенное поглощение соответствует только верхам мантии. Сопоставление данных для трех ядерных полигонов  (включая Невадский (НИП)) свидетельствует о том, что в результате длительной интенсивной серии подземных ядерных взрывов (ПЯВ) происходит изменение структуры среды до достаточно больших глубин в верхней мантии, что может быть связано с подъемом ювенильных флюидов.

Впервые проведено картирование поля поглощения S-волн в литосфере Центрального Тянь-Шаня по записям глубокофокусных гиндукушских землетрясений.  Выделена полоса сильного поглощения (Qs<100), к которой приурочены очаги двух сильнейших землетрясений, произошедших в районе Тянь-Шаня за последние 30 лет.

По совокупности данных о неоднородностях поля поглощения выделена аномальная зона в районе Северного Тянь-Шаня, которая приурочена к восточной части Киргизского хребта и Кочкорской впадине. Изучены временные вариации поля поглощения и характеристики сейсмичности за 1992-2005 гг. в рассматриваемой зоне, высказано предположение о готовящемся здесь сильном землетрясении.

В районе Северного Тянь-Шаня на записях местных землетрясений и карьерных взрывов выявлена аномальная группа волн (SL). Она характеризуется, в первую очередь, узким диапазоном видимых периодов (Tm= 1.5-2.3 с),  ростом величины  Tm с расстоянием D и практической независимостью времен пробега tm от D (на фоне довольно большого разброса величин tm). Выдвинута гипотеза о формировании этой группы в результате отражения  S-волн от тонкого слоя в верхней мантии, насыщенного флюидами, которая не противоречит совокупности имеющихся данных.

Впервые на примере районов Тянь-Шаня и Памира показано, что макросейсмические эффекты сильных землетрясений в некоторых регионах могут закономерным образом изменяться в течение десятилетий, что, скорее всего, связано с миграцией ювенильных флюидов в верхней части земной коры.

Установлен факт закономерного уменьшения величин отношения содержания изотопов гелия (параметра  R = 3He/4He) в подземных водах по мере удаления от очагов сильных землетрясений и зон крупных региональных разломов. Это является свидетельством  подъема мантийных флюидов в верхнюю часть земной коры после сильных землетрясений, а также в некоторых разломных зонах, характеризующихся сверхвысокой проницаемостью, и дальнейшем расплывании их в горизонтальном направлении. Сделаны оценки скорости миграции флюидов в верхах мантии и в верхней части земной коры, согласующиеся с данными, полученными сейсмическими методами.

 

Основные научные положения, выносимые на защиту:

        1. Пространственно-временные вариации поля поглощения короткопериодных поперечных волн служат эффективным инструментом для анализа флюидо-геодинамических процессов в земной коре и верхах мантии.

2. Сильнейшие глубокофокусные землетрясения в районе Гиндукуша вызывают активизацию коровой сейсмичности в других районах Центральной и Южной Азии, что связано с перераспределением напряжений в литосфере.

3. Очаги сильных землетрясений формируются вблизи областей сильного поглощения в земной коре и верхах мантии. После событий с M³7.0 наблюдается обусловленный увеличением проницаемости подъем флюидов в земную кору, особенно интенсивный для землетрясений с механизмами типа сброса и сдвига.

4. Данные,  полученные в районах трех крупнейших  испытательных полигонов мира свидетельствуют о том, что существенное изменение структуры поля поглощения может происходить в результате длительных серий мощных подземных ядерных взрывов.

 

Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют использовать анализ пространственно-временных вариаций структуры поля поглощения S‑волн в целях среднесрочного прогноза землетрясений и для решения  задач сейсморайонирования.

При подготовке диссертации были оцифрованы несколько тысяч аналоговых сейсмограмм ядерных взрывов и землетрясений из архивов КСЭ ИФЗ РАН и СОМЭ МОН РК, которые могут быть использованы для различных научных исследований.

 

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных   конференциях и совещаниях, в том числе на международной конференции «Прогноз землетрясений и глубинная геодинамика» (Алматы, РК, 1997); XXII Генеральной Ассамблее IUGG (Бирмингем, Англия, 1999); международном  научном семинаре “Геодинамика Тянь-Шаня“ (Бишкек, Кыргызстан, 2000); международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Боровое, РК, 2000); международной конференции «XXI век – навстречу миру, свободному от ядерного оружия» (Алматы, РК, 2001); международной конференции «Четвертые геофизические чтения им. В.В.Федынского», (Москва, Россия, 2002); международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Боровое, РК, 2002); Втором международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов» (Бишкек, Кыргызстан, 2002); Втором казахско-японском семинаре по предотвращению последствий разрушительных землетрясений (Алматы, РК,  2002); международной конференции «Пятые  Геофизические Чтения им. В.В.Федынского» (Москва, Россия, 2003); IV международной научно-практической геолого-геофизической конкурса-конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-2003» (Санкт-Петербург, Россия, 2003); казахстанско–китайском международном симпозиуме (Алматы, РК, 2003); казахстанско-российской международной конференции «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска» (Алматы, РК, 2004); Третьей международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Боровое, РК, 2004);  V Генеральной Ассамблее ASC (Ереван, 2004); Генеральной Ассамблее IASPEI (Сантьяго, Чили, 2005); Третьем международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в ХХI веке»  (Бишкек, Кыргызстан, 2005);  Четвертой международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Боровое, РК, 2006); Девятых геофизических чтениях имени В. В. Федынского (Москва, Россия, 2007); XXIV Генеральной Ассамблее IUGG (Перуджия, Италия, 2007); международной конференции «Ядерная энергетика Республики Казахстан» (Курчатов, РК, 2007); Десятых геофизических чтениях имени В. В. Федынского (Москва, Россия, 2008); Четвертом международном симпозиуме «Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы» (Бишкек, Кыргызстан, 2008); Пятой международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Боровое, РК, 2008); Генеральной Ассамблее IASPEI 2009 (Кейптаун, ЮАР, 2009); Седьмой Международной конференции  «Ядерная и радиационная физика» (Алматы, РК, 2009).

Результаты исследований были частью следующих республиканских программ:  Ц0004.09 «Развитие атомной энергетики в Казахстане на 1999 – 2003 годы», раздел 05 «Влияние ядерных взрывов на состояние земной коры и контроль за проведением ядерных испытаний», тема 05.02 - Мониторинг ядерных испытаний национальными станциями контроля в составе Международной системы мониторинга в соответствии с ДВЗЯИ; НТП-346 «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан» в составе Программы 004.000 «Прикладные научные исследования технологического характера» на 2004 - 2008 гг., тема 04.0101Т «Развитие Национальной сети станций и технологий мониторинга ядерных испытаний, согласующихся с требованиями международных договоров и соглашений», 04.01.02А «Развитие Национального Центра данных, технологий и методов сбора и обработки данных сейсмического и инфразвукового мониторинга»; мероприятие «Реализация научно-технической программы «Развитие атомной энергетики в Республике Казахстан» на 2009-2011 годы республиканской бюджетной программы 004.000 «Прикладные научные исследования технологического характера в  области топливно-энергетического комплекса, нефтехимии и минеральных ресурсов», тема 04.01 «Методическое обеспечение мониторинга ядерных испытаний и землетрясений национальной системой контроля в соответствии с международными обязательствами РК»; бюджетная программа 023 «Создание электронного  архива исторических сейсмограмм ядерных взрывов и землетрясений, зарегистрированных станциями специального контроля» (2005 - 2007 гг.); бюджетная программа 030 «Мониторинг ядерных испытаний», мероприятия 1-4 «Перевод архива исторических сейсмограмм ядерных взрывов и землетрясений, зарегистрированных станциями специального контроля, с бумажных  и магнитных записей на электронные носители» (2008 г.); бюджетная программа 030 «Мониторинг ядерных испытаний», мероприятие 1 «Перевод архива исторических сейсмограмм ядерных взрывов и землетрясений, зарегистрированных станциями специального контроля, с бумажных  и магнитных записей на электронные носители» (2009-2011 гг.).

 

Публикации. Основные научные положения опубликованы в 47 статьях (из них 20 - в зарубежных изданиях), в том числе 18 - в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК, и 10 - индивидуальных. Кроме того, по теме диссертации  было опубликовано более 70 тезисов докладов международных и казахстанских конференций.

 

Объем и структура работы.   Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, трех приложений и заключения. Содержание работы изложено на 220 страницах текста, включая 121 рисунок, 14 таблиц и список источников из 179 наименований.

Во время работы над диссертацией автор постоянно получал ценные советы и помощь научного консультанта д.ф.м.н. профессора Ю.Ф. Копничева, которому автор выражает глубочайшую признательность. Автор считает своим долгом поблагодарить руководителя ЦСОССИ ИГИ НЯЦ РК д.ф.м.н. Н.Н. Михайлову и профессора КазНТУ д.г.м.н. А.Н.Нурмагамбетова за помощь и полезные замечания к работе.

Автор признателен ученому секретарю ИГИ НЯЦ РК Л.Е. Подгорной за поддержку и внимание. Автор также благодарен  своим коллегам И.Л. Аристовой, Д.Д.Гордиенко, Т.А. Жерноклевой,  Л.А. Кривошеевой О.К. Кунаковой, Н.Н. Полешко и О.М. Шепелеву, которые помогали в  обработке первичных данных.

Автор выражает благодарность сотрудникам СОМЭ МОН РК и IRIS DMC за предоставление записей цифровых и аналоговых сейсмических станций.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Во введении обосновывается актуальность исследований, сформулированы цель и основные задачи, поставленные в работе, перечислены защищаемые положения.

 

В первом разделе “Методы изучения поля поглощения поперечных волн в земной коре и верхней мантии” изложены методы изучения неоднородностей поля поглощения в ближней (D£200 км) и промежуточной (200<D<1500 км) зонах эпицентральных расстояний. В ближней зоне для неглубоких событий в регионе Центральной и Южной Азии прямые P- и S-волны распространяются в основном в земной коре. В промежуточной зоне они начинают проникать в верхи мантии (волны Pn и Sn); кроме того, здесь формируются волны Pg и Lg, которые образованы многократными отражениями соответственно продольных и поперечных волн от границы M под запредельными углами (А.Л. Левшин, Ю.Ф.Копничев и др.). Волны S, Sn и Lg сопровождаются своей кодой, которая также несет важную информацию о характеристиках поля поглощения (К.Аки, Ю.Ф.Копничев, Т.Г.Раутиан, В.И.Халтурин, А.Нурмагамбетов, О.И.Аптикаева, А.Р.Аракелян, П.Б.Каазик, Х.Сато, М.Фелер и др.).

В работах Ю.Ф.Копничева, И.Л.Нерсесова, О.И. Аптикаевой, П.Б. Каазика, Н.Н.Михайловой, А.А.Смирнова и др. показано, что в районе Центральной Азии на частотах около 1 Гц в S-коде записей близких событий, а также в коде волн Sn и Lg в помежуточной зоне расстояний преобладают поперечные волны, отраженные от многочисленных субгоризонтальных границ в земной коре и верхней мантии. Аналогичную природу имеет и S-кода записей глубокофокусных гиндукушских землетрясений, что подтверждается нашими данными о ее поляризационных характеристиках (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова).

Автор принимал участие в развитии различных методов изучения поля поглощения в ближней и промежуточной зонах, использовавшихся в работе. Особенности методов связаны с анализом относительных величин, что позволяет повысить надежность оценок параметров поля поглощения.

Поглощение S-волн существенно зависит от частоты колебаний, поэтому во всех случаях применялась узкополосная частотная фильтрация. Использовались фильтры с центральными частотами 0.6; 1.25; 2.5 и 5 Гц и полосой пропускания 2/3 октавы, аналогичные фильтрам ЧИСС. При анализе данных, полученных широкополосными аналоговыми станциями (главным образом СКМ-3)  проводилась их предварительная оцифровка с помощью широкоформатного сканера (с частотой 40 Гц).

Метод картирования поля поглощения в земной коре по соотношению амплитуд волн S и P (параметру S/P) основан на том, что при попадании S-волн в слой сильного поглощения, содержащий заметную долю жидкой фазы, их амплитуды резко падают относительно P-волн. (Здесь и ниже подразумеваются десятичные логарифмы амплитудных отношений). При реализации этого метода строятся графики S/P (D) и рассматриваются отклонения данного параметра от средних величин (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова).

Метод изучения поля поглощения по коде S-волн  основан на том, что по мере увеличения времени t от начала излучения на сейсмограммах вступают волны, отраженные от все более глубоких границ. В этом случае участки относительно крутого или пологого наклона на огибающих коды соответствуют проникновению S-волн в слои соответственно сильного и слабого поглощения в литосфере и астеносфере (О.И.Аптикаева, Ю.Ф.Копничев, О.В.Павлова). Эффективная добротность Qs, соответствующая этим слоям, оценивается по формуле:

 

A(t)~exp(-pt/QsT)/t,                                                                                        (1)                                                 

где T – период колебаний.

 

 Глубины кровли и подошвы таких слоев определяются из простых геометрических соображений, в предположении формирования коды однократно отраженными поперечными волнами.  При этом в первом приближении мы принимаем двухслойную модель среды со средними скоростями в коре и верхах мантии соответственно 3.5 и 4.6 км/с. По характеристикам коды местных событий строятся вертикальные разрезы поля поглощения в ближайших окрестностях регистрирующих станций. Точность оценки глубин слоев разного поглощения ~5 км в средней и нижней коре и ~10 км в верхах мантии.

Метод картирования поля поглощения в земной коре по соотношению амплитуд волн Lg и Pg (параметру Lg/Pg) позволяет оценивать интегральное поглощение на всей трассе от очага до станции и выделять аномальные по затуханию S-волн зоны. При использовании записей событий из небольшой области, полученных одной и той же станцией (например, сейсмограмм ПЯВ, производившихся на одной площадке), можно изучать временные вариации поля поглощения (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова).

Преимущество такого подхода, в частности, состоит в том, что с помощью него можно получать информацию о строении земной коры в районах крупных впадин, где затруднена установка чувствительных станций из-за высокого уровня микросейсмического фона.

Исследование пространственно-временных вариаций поля поглощения по характеристикам коды волн Lg и Sn основано на сопоставлении скорости затухания амплитуд в «ранней» и «поздней» коде. В ранней коде приходят S-волны, для которых со временем резко возрастает длина пути в верхах мантии, характеризующихся наибольшей неоднородностью поля поглощения. В более поздней коде вступают волны, проникающие на большие глубины в верхней мантии, где поле поглощения более однородно. Метод использовался для картирования поля поглощения в диапазоне расстояний ~300-600 км (Д.Д.Гордиенко, Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова). При этом эффективная добротность определялась в двух интервалах времени: первом – сразу после волны Lg длительностью 70 с (Q1) и  втором - при t =250-400 с (Q2). Для данного диапазона расстояний границы первого интервала варьировались от ~110-180  до 180-250 с. В рассматриваемом диапазоне расстояний при сносе в верхней мантии  lr =50 км лучи, соответствующие концу первого интервала,  погружаются на глубины ~90-135 км, а при lr =100 км – на 170-255 км. Величина Q2 используется главным образом для нормировки, поскольку эффективная добротность, определяемая по коде Lg и Sn, существенно зависит от района исследований (Д.Д.Гордиенко, Ю.Ф. Копничев, И.Н.Соколова).

Картирование поля поглощения в земной коре и верхах мантии по записям глубокофокусных гиндукушских землетрясений. Удобство использования записей таких событий состоит в возможности получения представительного экспериментального материала за сравнительно короткий срок (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова). Для картирования  использовались записи гиндукушских землетрясений в двух диапазонах глубин (70-110 и 190-230 км).

При анализе характеристик поля поглощения рассматривались следующие параметры:

1. Отношение максимальных амплитуд в волнах S и P  на частоте 1.25 Гц (S/P). Путем сопоставления величины расхождения сейсмических лучей для близких станций с радиусом зоны Френеля Rf=√ ~30км (L – длина отрезка, проходимого лучом в земной коре, λ   - длина волны), показано, что этот параметр характеризует поглощение S-волн в нижней части коры и верхах мантии на расстояниях ~30-130 км от соответствующей станции.

2. Отношение максимума в S-волне к максимальному уровню S-коды в интервале t=400±5c (S/c400). Данный параметр характеризует степень изменения поглощения S-волн в верхах мантии при приближении к станции.

 

Во втором разделе “Геодинамические процессы и группирование сильных землетрясений  в Центральной и Южной Азии”   изучается взаимосвязь между сильнейшими глубокофокусными гиндукушскими и сильными коровыми землетрясениями в большом регионе Центральной и Южной Азии. Обсуждаются геодинамические процессы, которые могут обусловливать появление пар и групп таких событий.

 

Пары сильных землетрясений и геодинамические процессы в Центральной и Южной Азии.  Пары событий составляют глубокофокусное гиндукушское землетрясение  (M≥6.7) и коровое событие (M≥7.0), произошедшее после него с запаздыванием до 4.5 месяцев в регионе Азии, ограниченном координатами 30-50° N и 50-90° E (Ю.Ф. Копничев, И.Н. Соколова). Сильные коровые землетрясения после гиндукушских происходили в районах Тянь-Шаня, Туранской плиты, Копетдага, Иранского нагорья, Гиндукуша и Гималаев (таблица 1). Интересно, что все пары событий (9 за 100 лет) произошли в интервалы долговременного (несколько лет) увеличения скорости вращения Земли.

По формуле:

 

P9,30=C930 ×p9×(1-p)21,                                                                                      (2)

 

где p- вероятность попадания одного гиндукушского землетрясения в один из 4.5 месячных интервалов, определена вероятность случайного появления 9 пар таких событий за указанный срок, которая оказалась ничтожно малой (P9,30@2×10-6).

Анализ данных показывает, что намечается тенденция к увеличению времени запаздывания корового землетрясения с ростом расстояния D (таблица 1).  В среднем скорость распростра­нения "деформационной" волны составляет около 19 км/сут.

 

Таблица 1 - Параметры сильных землетрясений в регионе Центральной и Южной Азии

 

Дата

год, число, месяц

Координаты

эпицентра

j°, N        l°, E

Глубина

очага, км

М

Пауза, мес.

Расстояние

между эпи-

центрами D,  км

21.04.1916

28.08.1916 

36.5           70.5

30.0           81.0

220

33

6.8

7.3

4.3

1210

01.02.1929          01.05.1929

36.7           71.3

37.8           57.8

200

20

7.4

7.2

3

1200

07.09.1948          05.10.1948

36.9           70.6

38.0           58.3

220

18

6.7

7.3

0.9

1090

04.03.1949

10.07.1949

36.6           70.6

39.2           70.8

300

16

7.7

7.4

4.3

290

06.04.1956

09.06.1956

36.5           70.7

35.0           67.5

200

20

6.8

7.2

2.1

330

30.07.1974

11.08.1974

36.4           70.8

39.3           73.7

200

18

7.3

7.3

0.4

410

02.05.1981

28.07.1981*

36.5           71.1

30.0           57.8

220

11

7.0

7.2

2.9

1430

 

30.12.1983

19.03.1984

36.4           70.8

40.4           63.4

210

15

7.3

7.2

2.7

780

29.07.1985

23.08.1985

36.2           70.9

39.4           75.4

100

20

7.2

7.0

0.8

530

* 11 июня 1981 г.  зарегистрирован сильный форшок Иранского землетрясения с М = 6.6.

 

Для выяснения возможной природы обнаруженной связи между глубокофокусными гиндукушскими и коровыми землетрясениями были исследованы временные вариации структуры поля поглощения поперечных волн в земной коре и верхах мантии.

С этой целью рассматривались сейсмограммы взрывов из  карьера  Ко­тур-Булак,  расположенного в районе хребта Заилийский Алатау,  к востоку от г.  Алматы (на расстоянии ~800 км от гиндукушской зоны). Анализировались записи  станции  TLG,  установленной  на расстоянии около 10 км от карьера до и после пары сильных землетрясений 1983-1984 гг. Существенно, что трассы сейс­мических  волн от карьера пересекают зону крупного региональ­ного Заилийского разлома,  вблизи от которой  находится  станция TLG. В этой зоне наблюдается относительно быстрые временные вариации структуры поля поглощения (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова). Для анализа данных использовался метод, основанный на анализе короткопериодной коды  S-волн близких событий.

Затухание огибающих коды в интервале t=25-60с можно охарактеризовать эффективной добротностью Qs, определяемой по формуле (1). Для модели однократных отражений поперечных волн, формирующих коду, этот интервал соответствует диапазону глубин 45-125 км, т.е. нижней коре и верхам мантии (граница M в рассматриваемом районе находится на глубинах ~50-55 км). Перед парой сильных событий 1983-1984 гг. в мае-октябре 1983 г. величина Qs в этом интервале глубин падает до 60 по сравнению с 90 в январе – марте этого года. Далее, в ноябре 1983-марте 1984 г.г.  добротность становится еще меньше (~ 50). После Газлийского землетрясения 19 марта 1984 г. форма огибающих снова резко изменяется, величина Qs в указанном интервале глубин скач­ком возрастает до 100.

Аналогичные вариации эффективной добротности наблюдались перед парами сильных землетрясений 1974 и 1985 гг. (коровые события – в районе Тянь-Шаня). Вместе с тем перед парой сильных землетрясений 1981 г. (коровое событие – в районе Ирана) вариации величин Qs носили несколько иной характер.

Полученные данные говорят о том, что геодинамические процессы, происходящие в верхней мантии Гиндукуша, в значительной степени “управляют” сейсмичностью этого региона.

Один из вероятных механизмов глубокофокусных гиндукушских землетрясений – фазовые переходы, связанные с гидратацией мантийных пород, в результате которой образуются устойчивые в условиях верхней мантии высокоплотные гидросиликаты (В.А.Калинин, М.В.Родкин, И.С.Томашевская и др.). Ю.Ф.Копничевым и А. Нурмагамбетовым показано, что нижняя часть земной коры и верхи мантии Тянь-Шаня пронизаны сетью каналов высокого поглощения поперечных волн, протягивающихся на многие сотни километров от Гиндукуша к Северному Тянь-Шаню;  эти каналы приурочены к наиболее активным в новейшее и четвертичное время зонам глубинных разломов. Имеющиеся данные о быстрых временных вариациях структуры поля поглощения в этих зонах (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова, Н.Н. Михайлова) позволяют предполагать, что каналы насыщены флюидами. Об этом же может свидетельствовать и высокая электропроводность нижней коры, наблюдающаяся в тектонически активных районах, в частности, в районе Тянь-Шаня (Л.Л.Ваньян, Р.Д.Хайндман) – известно, что данный эффект возможен только в том случае, когда жидкая фаза сконцентрирована в сети связанных между собой каналов (Т. Шакланд, Х. Вафф). Основываясь на этих данных, можно предположить, что информация об изменении состояния флюидного поля в верхней мантии Гиндукуша в результате сильного глубокофокусного землетрясения может передаваться с помощью некоторых волн деформации по системе связанных между собой каналов, приводя это поле в “возбужденное” состояние в обширном регионе Центральной и Южной Азии. Наиболее вероятное объяснение этого явления связано с их распространением на значительные расстояния и с относительно высокой скоростью с помощью медленно затухающих солитонов. В.Н.Николаевским дано теоретическое обоснование возможности распространения  уединенных волн деформации по разломным зонам в земной коре.

Насыщенные флюидами крупные разломные зоны, которые характеризуются существенной неравновесностью протекающих в них физико-химических процессов (М.В.Родкин),  являются, по терминологии И.Пригожина (Г.Николис, И.Пригожин), диссипативными структурами. Таким структурам свойственна, в частности, высокая чувствительность к внешним воздействиям.

   Ю.Ф.Копничевым и Н.Н.Михайловой было показано, что перед одиночными сильными коровыми землетрясениями в районе Центральной Азии наблюдается подъем флюидов по крупным разломным зонам из верхов мантии в нижнюю и среднюю кору.  Миграция флюидов приводит, в частности, к концентрации напряжений на кровле двухфазного слоя состоящего из твердого вещества и флюида, что служит одним из важных факторов, обусловливающих подготовку неглубоких землетрясений. После сильного гиндукушского землетрясения происходит перестройка флюидного поля в обширном регионе Центральной Азии, которая, видимо, облегчает концентрацию флюидов в отдельных участках крупных разломных зон, что обеспечивает резкое ускорение процессов подготовки сильных землетрясений в наиболее ослабленных зонах.

Полученные данные говорят о том, что каналы, по которым осуществляется связь флюидного поля с гиндукушской зоной на больших расстояниях, пронизывают литосферу всего огромного региона Центральной и Южной Азии, где происходят пары сильных землетрясений.

С этим согласуются собранные нами сведения о вариациях  гидрогеохимических и гидрогеодинамических параметров в связи с парами сильных землетрясений, наблюдавшихся, в частности, в районе Копетдага, а также в Центральном и Северном Тянь-Шане.

Группирование сильных землетрясений в районе Центральной Азии. При анализе сейсмичности Центральной Азии было подмечено, что помимо появления пар сильных событий, имеются также случаи группирования сильных землетрясений Гиндукуша, Алтая (M≥6.9)  и Северного Тянь-Шаня (M≥6.0) (табл.2).

За последнее столетие произошло пять троек таких событий. Гиндукушские землетрясения были глубокофокусными (h=100-230 км), остальные события – коровыми. Длительность эпизодов, связанных с группами землетрясений, варьируется от 5.2 до 6.9 лет, а интервал времени от второго до третьего события в тройках изменяется от 20 дней до 1.5 лет. Существенно, что в указанные группы событий попадают все сильные алтайские землетрясения с М≥7.0 и 5 из 6 северотяньшаньских землетрясений с М≥6.0 (исключение составляет только Жаланаш-Тюпское землетрясение 24.03.1978 с М=7.0).

 

Таблица 2 - Сильные землетрясения в районе Центральной Азии

 

Дата

j, °N

l, °E

h, км

M

DT*, лет

DR**, км

Название

23.07.1905

49.2

96.2

25

8.2

 

 

Болнайское

07.07.1909

36.5

69.0

230

8.0

 

 

Айваджское

03.01.1911

42.9

76.9

25

8.2

1.5

1650

Кеминское

10.08.1931

46.5

90.5

40

7.8

 

 

Монголо-Алтайское

14.11.1937

35.0

73.0

200

7.3

 

 

Гиндукушское (I)

20.06.1938

42.7

75.8

21

6.9

0.6

1240

Кемино-Чуйское

14.03.1965

36.6

70.8

215

7.7

 

 

Гиндукушское (II)

15.05.1970

50.2

91.3

12

7.0

 

 

Цаган-Шибетуйское

05.06.1970

42.5

78.9

15

6.8

0.1

1280

Сарыкамышское

29.07.1985

36.2

70.9

100

7.2

 

 

Гиндукушское (III)

14.06.1990

46.9

85.1

42

6.9

 

 

Зайсанское

12.11.1990

43.1

78.0

15

6.4

0.4

700

Байсорунское

03.03.2002

36.5

70.5

225

7.4

 

 

Гиндукушское (IV)

27.09.2003

50.1

86.7

20

7.3

 

 

Чуйское

01.12.2003

42.9

80.4

15

6.0

0.2

975

Кетменьское

08.10.2005

34.4

73.5

12

7.6

 

 

Кашмирское

 

* Время запаздывания северотяньшаньского землетрясения по отношению ко второму событию в тройке.

** Расстояние между эпицентрами алтайского и северотяньшаньского землетрясений.

 

Вероятность случайного появления 5 групп рассматриваемых событий определена по формуле

 

P5,6  = C65 p5(1-p),                                                                                      (3)

 

где  p- вероятность попадания одного северотяньшаньского землетрясения в один из 1.5 летних интервалов.

 

Эта величина оказалась достаточно малой (P5,6~1.3×10-5). Последовательность, в которой происходят гиндукушские и алтайские землетрясение в тройках, видимо, не играет существенной роли. Главным оказывается появление пары таких событий с интервалом до 6 лет, после чего резко возрастает вероятность землетрясения в районе Северного Тянь-Шаня в течение последующих 1.5 лет.

Можно полагать, что главная причина появления в районе Северного Тянь-Шаня «отклика» на гиндукушское и алтайское землетрясения состоит в следующем. В настоящее время общепринятой является тектоническая модель, согласно которой поле напряжений в литосфере Центральной Азии в значительной степени определяется столкновением Индийской и Евразиатской плит (П. Таппониер, П. Молнар, К. Денг и др.). При этом обширный регион Центральной Азии от Гиндукуша до Западного Алтая и Саян (приблизительно до 96°в.д.) находится в сравнительно однородном поле напряжений, в условиях близмеридионального сжатия (П.Молнар, П.Таппонье и др.). После пары сильных землетрясений в районах Гиндукуша и Алтая происходит перераспределение напряжений, в результате чего, естественно, возрастает сжатие во всей области между очагами этих событий, причем наиболее сильно этот эффект должен проявляться примерно посередине между ними. Именно здесь и находится область, где лежат очаги сильных землетрясений Северного Тянь-Шаня. Существенно меньшая средняя энергия этих землетрясений по сравнению с энергией других событий из троек служит дополнительным аргументом в пользу предлагаемой трактовки обнаруженного явления.

Группа событий 2002-2003 гг. не совсем обычна потому, что после отклика на эту пару событий (северотяньшаньского землетрясения 1 декабря 2003 г.), 8 октября 2005 года произошло еще одно сильное коровое землетрясение с M=7.6 в районе Кашмира, поблизости от гиндукушской зоны глубокофокусной сейсмичности. Это событие было сильнейшим в рассматриваемом районе за последние 100 лет (на расстояниях до 600 км от центра данной зоны). В рамках  предложенного механизма формирования сейсмического отклика в районе Северного Тянь-Шаня эффект этого землетрясения должен быть аналогичен эффекту глубокофокусных гиндукушских событий. Исходя из полученных данных, естественно было предположить, что после группы сильных землетрясений 2002-2005 гг. может произойти еще одно сильное тектоническое событие с M³6.0 в районе Северного Тянь-Шаня (примерно до апреля 2007 г.). О возможном месте такого землетрясения речь идет ниже.

 

В третьем разделе “Пространственно-временные вариации поля поглощения в литосфере и астеносфере Тянь-Шаня и очаги сильных землетрясений” различными методами проводится картирование поля поглощения в районе Тянь-Шаня. Неоднородности поля поглощения сопоставляются с сейсмичностью рассматриваемого района. Выделяются аномальные по поглощению зоны, которые могут быть связаны с подготовкой сильных землетрясений.

 

Исследование пространственно-временных вариаций поля поглощения по записям глубокофокусных гиндукушских землетрясений.  Рассматриваемый район, ограниченный координатами 39°-45° N  и 73°-81° E, включает значительную часть Центрального Тянь-Шаня и прилегающие к нему с севера южную окраину Казахской платформы и с юга – крайний северо-западный участок Таримского массива. Для анализа структуры поля поглощения использовались сейсмограммы гиндукушских землетрясений. В общей сложности обработано около 800 записей землетрясений в диапазонах глубин h0=70-110 и 190-230 км, полученных в основном в 1998-2000 гг. 45 цифровыми и аналоговыми станциями на эпицентральных расстояниях от 500 до 1100 км.

Для большей части района наблюдается сравнительно  слабое поглощение (в первую очередь это относится к крупным впадинам – Таримской, Нарынской, Ферганской, Иссык-Кульской и Илийской, а также к южной окраине Казахской платформы). На этом фоне выделяется полоса сильного и промежуточного поглощения, в южной части вытянутая вдоль Таласо-Ферганского разлома, а в области  станций DGE и KAZ поворачивающая в северо-северо-восточном направлении. Существенно, что к границам данной полосы приурочены очаги двух сильнейших землетрясений, произошедших в районе Тянь-Шаня за последние 30 лет – Кашгарского 23 августа 1985 г. (М=7.0) и Сусамырского 19 августа 1992 г. (М=7.3).

Получены оценки эффективной добротности среды в целом для рассматриваемого района (Qs=210, Qp=350), а также для полосы сильного поглощения между станциями DGE, KAZ и CHM, TKM2 (Qs=100, Qp=170). Аномально сильное поглощение соответствует области к востоку от станции KBK и к юго-западу от станции TKM2, в восточной части Кыргызского хребта. Согласованность  параметров S/P для разных глубин очагов в северной части указанной полосы говорит о сильном поглощении до сравнительно больших глубин в верхах мантии (в первую очередь на отрезке между станциями KZA и TKM2). Имеющиеся данные по огибающим коды местных землетрясений для станций KBK, TKM2, UCH и KZA  позволяют утверждать, что сильное поглощение здесь наблюдается в нижней коре и верхах мантии, на глубинах  ~30-90 км (Ю.Ф. Копничев, И.Н. Соколова). Глубже поглощение резко уменьшается, что согласуется с очень высокими величинами S/P для станции KUU (Илийская впадина) по сравнению со станциями  KBK и   TKM2

Для станций, расположенных в очаговой зоне Сусамырского землетрясения и вблизи от нее,  наблюдаются высокие величины S/c400. Кроме того, по данным станции AML, величина S/c400 в 1992 г. была существенно (на 0.23 ед. лог.) выше, чем в 1999-2000 г.г. И наконец, по данным станций TORK и  KRSU, расположенных к югу от очага Сусамырского землетрясения, установлены существенные временные вариации формы S-коды.

Отсюда следует, что с очагом Сусамырского землетрясения связана крупная аномалия сильного поглощения в верхней мантии. Путем анализа S-коды местных землетрясений показано, что область аномально сильного поглощения представляет здесь узкий слой шириной ~10 км, расположенный на глубинах ~45-180 км к югу от очаговой зоны. Отметим, что существование узких субвертикальных зон пониженной добротности в нижней коре и верхней мантии установлено также в районе очага Рачинского землетрясения 29 апреля 1991 г. на Северном Кавказе (О.И. Аптикаева, С.С. Арефьев  и др.).

Полученные характеристики поля поглощения не противоречат имеющимся данным о поле скоростей  сейсмических волн. Слабое поглощение в верхах мантии под Ферганской впадиной согласуется с надежно установленным фактом существенного повышения скоростей S-волн в этом районе на глубинах 35-75 км (С. Рёкер, Л.П. Винник, Т.М.Сабитова и др.). Слабое поглощение в верхах мантии под Западным Таримом и южной окраиной Казахской платформы подтверждается  данными о высоких скоростях волн  Pn и P, полученными методом томографического анализа (В.И.Шацилов, В.Чен, Лианг и др.). И наконец, характеристики поля поглощения в нижней коре и верхах мантии в районе Центрального Тянь-Шаня довольно хорошо согласуются с основными параметрами поля скоростей Р-волн (устное сообщение Т.М.Сабитовой).

Ю.Ф. Копничевым и А.Нурмагамбетовым ранее было проведено детальное картирование поля поглощения   S-волн в литосфере Тянь-Шаня по записям большого числа местных землетрясений, зарегистрированных в 70-х годах прошлого века сверхвысокочувствительной станцией ZRN, установленной в районе Кокчетавского массива (Северный Казахстан). При этом использовался метод, основанный на сопоставлении амплитуд группы Lg  и коды.  Сравнение с нашими данными показывает, что в обоих случаях наблюдается слабое поглощение в районах крупных впадин – Таримской, Ферганской, Чуйской, Илийской и Иссык-Кульской. В обоих случаях выделяется также полоса сильного поглощения в районе хребтов Заилийский и Кунгей Алатау.

В то же время существуют и значительные различия структуры полей поглощения. В 1970-х годах выделялась узкая зона сильного поглощения на границе Тарима и Южного Тянь-Шаня (возможно, что в конце 1990-х годов она не была обнаружена просто из-за меньшей детальности метода картирования по параметру S/P). Вместе с тем в конце 1990-х годов ярко проявилась полоса сильного поглощения между станциями KASH и TKM2, которая отсутствовала за 20-25 лет до этого.

Сравнительно быстрое изменение структуры поля поглощения S-волн может быть связано только с перестройкой флюидного поля в земной коре и верхней мантии. Это согласуется с данными Б.Н. Поляка, И.Л.Каменского, А.Н.Султанходжаева и др., согласно которым в подземных водах в пределах полосы сильного поглощения (в зоне Таласо-Ферганского разлома) в конце 80-х годов были зарегистрированы очень высокие (субмантийные) величины отношения содержания изотопов гелия, которые ранее никогда не встречались вне областей современного вулканизма.

Картирование поля поглощения по S-коде записей местных событий. Для картирования поля поглощения S-волн в земной коре и верхах мантии Центрального Тянь-Шаня было обработано около 200 записей местных землетрясений и карьерных взрывов, полученных 28 цифровыми и аналоговыми станциями на эпицентральных расстояниях до 40-50 км. Анализировались огибающие сейсмограмм, построенные с использованием ЧИСС-фильтра 1.25 Гц, по которым строились разрезы поля поглощения S-волн.

Для профиля станций NRN-USP, пересекающего хребет Киндиктас, Чуйскую впадину, Кыргызский хребет, хребет Джумголтау и Нарынскую впадину, детально исследована структура волновых полей. Для горных районов (станции  USP, KBK и  KZA) амплитуды в коде в интервале t=10-60 с затухают значительно быстрее, чем для районов впадин (станции CHM и NRN). При t< 100 с наиболее сильное затухание огибающей наблюдается на станции  KZA, а самое слабое – на станции  CHM.

Для этого профиля  были построены разрезы поля поглощения. Для района Нарынской впадины (ст. NRN) наблюдается очень слабое поглощение на глубинах до 110 км, а в диапазоне глубин 110-200 км поглощение значительно выше, чем для остальных точек профиля. По данным четырех станций выделяются слои очень высокого поглощения (Qs =50-60) в низах коры и верхах мантии; наибольшую мощность (~50 км) такой слой имеет в районе Кыргызского хребта (ст.  KBK).

Для сравнения исследовались разрезы поля поглощения для четырех станций в районе Нарынской впадины. Для всех станций очень слабое поглощение соответствует средней и нижней коре. В верхах мантии выделяется слой очень сильного поглощения на западной окраине впадины, в близких окрестностях Таласо-Ферганского разлома (по данным станций KAZ и  DGE). На глубинах 50-220 км для района станции KAZ поглощение значительно сильнее, чем для других станций.

Для района Центрального Тянь-Шаня (40-44° N, 73-80° E) было проведено картирование поля поглощения для   четырех диапазонов глубин: 30-50, 50-70, 70-90 и 110-130 км.  Диапазон изменения параметра Qs был разбит на три уровня, соответствующие повышенному (Qs=30-120), промежуточному (120-480) и пониженному (500-2000 и более) поглощению. На глубинах 30-50 км, что соответствует в основном нижней коре, очень слабое поглощение наблюдается в районах впадин: Нарынской, Иссыккульской, а также на восточной окраине Ферганской впадины (ст. IRI). По данным станций  KDS и  KAR, имеет место большой контраст поглощения между южной окраиной Иссыккульской впадины и хребтом Терскей Алатау. На северной окраине Таримской впадины выделяется область промежуточного поглощения. В горных районах (хребты Заилийский и Кунгей Алатау, Киндиктас, Кетмень, Кыргызский, Терскей Алатау, Алайский и Кокшаал) наблюдается в основном повышенное и отчасти промежуточное поглощение.

В верхах мантии (диапазон глубин 50-70 км) по сравнению с нижней корой резко увеличилось поглощение в районах Иссыккульской впадины и западной и южной окраин Нарынской впадины. В то же время уменьшилось поглощение в районе хр. Кокшаал.

В диапазоне глубин 70-90 км наблюдается в основном промежуточное и пониженное поглощение. По сравнению с интервалом 50-70 км поглощение существенно уменьшилось в северной части района (к северу от 42°N), а также в западной части Нарынской впадины.

В диапазоне глубин 110-130 км в целом в рассматриваемом районе поглощение  S-волн и контраст величин Qs существенно слабее, чем в нижней коре и верхах мантии. Пониженное поглощение соответствует Иссыккульской впадине и ее ближайшим окрестностям, а также восточной окраине Ферганской впадины. На северной окраине Таримского массива и в Нарынской впадине наблюдается в основном промежуточное поглощение. Районам хребтов Алайского, Заилийского Алатау и Кетмень соответствует пониженное поглощение.

Данные о быстрых временных вариациях поля поглощения показывают, что области сильного затухания S-волн в рассматриваемом районе связаны в первую очередь с присутствием свободных флюидов. Вывод о существовании узких субвертикальных зон, насыщенных флюидами, которые проникают  в верхнюю мантию, согласуется с аномально высокими (субмантийными) отношениями содержания изотопов гелия (3He/4He) в водах многих источников, расположенных на Южном и Северном Тянь-Шане (Б.Г.Поляк, А.Н.Султанходжаев и др.). Уменьшение среднего поглощения и контраста величин Qs с глубиной не противоречит выводам петрологов о меньшем содержании флюидов в верхней мантии по сравнению с земной корой   (А.Е.Рингвуд).

Приведенные выше данные говорят о том, что средняя и нижняя кора (на глубинах ~20-50 км) характеризуются пониженным поглощением в районах впадин и повышенным – в районах хребтов. Это согласуется с данными, полученными путем анализа записей глубокофокусных гиндукушских землетрясений (раздел 3.1).

С этим выводом хорошо коррелируются данные МТЗ, согласно которым нижняя кора горных районов во многих случаях имеет очень высокую проводимость, что связывается с присутствием соленого водного флюида (Л.Л.Ваньян, Р.Д.Хайндман и др.).

Возможно, слабая сейсмичность районов крупных впадин Тянь-Шаня также связана с дефицитом свободных флюидов в нижней коре и верхах мантии. Судя по нашим данным, большинство зон сильного поглощения  на глубинах 30-70 км сосредоточено в северной части района (к северу от   42° N). Вместе с тем на глубинах ~110-130 км здесь наблюдается в основном пониженное поглощение. Интересно, что в северной части района поблизости от станций PDG и KENS 01.12.2003 и 14.02.2005 произошли два сильных землетрясения с М≥6.0.

Изучение неоднородностей поля поглощения в земной коре Северного Тянь-Шаня по записям карьерных взрывов. Для анализа использовались записи взрывов с трех карьеров, полученные 12 широкополосными цифровыми станциями. Измерялись отношения S/P для ЧИСС-фильтра 5 Гц. На рисунке 1 показана карта вариаций параметра S/P для разных трасс. Сравнительно слабое поглощение соответствует трассам, проходящим через впадины – Илийскую (трасса Котур-Булак – CHM), Чуйскую (Аглатас- AAK) и Иссыккульскую (Котур-Булак – ULHL, Актюз – ULHL). Вместе с тем сильное поглощение наблюдается для трасс Аглатас – KBK и Аглатас - EKS2, проходящих через Чуйскую впадину. Для этих двух трасс регулярные волны идут в самой верхней части разреза, в основном по осадочным породам, характеризующимся низкими скоростями и высоким поглощением S-волн.

Самое сильное поглощение S-волн наблюдается на трассах от карьеров Актюз и Котур-Булак на станции KBK и AAK (в выделенной выше аномальной зоне). Особенно большой контраст параметров S/P (~1.0) наблюдается между близкими трассами от карьера Актюз на станции KBK и UCH. Используя данные скоростного разреза, приведенного В.Г.Мартыновым и др., находим, что сильное поглощение наблюдается в слое ~0-10 км. На глубинах более 10 км поглощение резко уменьшается, что согласуется с данными о скоростях S-волн в слое 10-35 км (Л.П.Винник и др.).

 

Треугольники – сейсмические станции, квадраты – карьеры. Сильное поглощение - 1, промежуточное - 2, слабое -3.

 

Рисунок 1 - Карта вариаций параметра S/P для разных трасс.

 

Выделение тонкого слоя, насыщенного флюидами, в верхней мантии Северного Тянь-Шаня. В коде записей местных землетрясений и карьерных взрывов в районе Северного Тянь-Шаня нередко появляется необычная группа волн (SL). Эта группа  выделяется только на станциях, расположенных на границах между горными сооружениями Северного Тянь-Шаня и прилегающими впадинами (Чуйской и Илийской) на эпицентральных расстояниях до 100 км. Не удалось выявить эту группу (по крайней мере, пока) на станциях, расположенных достаточно далеко от этих границ.  Группа SL чаще всего  представляет достаточно компактный цуг колебаний длительностью 3-4 цикла (5-6 с), резко выделяющийся на фоне короткопериодной коды. Исключение составляют трассы (Котур-Булак – TLG,  Медео – TLG, Медео – АА1, Актюз-TLG) для которых эта группа выглядит более  «размытой», ее уровень относительно коды резко падает. Периоды, соответствующие максимальным амплитудам, на расстояниях до 30 км практически одинаковы для разных трасс (Tm = 1.6-1.7 с).  С увеличением расстояния периоды возрастают, так например, для трассы Актюз-TLG (D~100 км) Tm= 2.3 с.

Время tm достижения максимума амплитуды в группе, отсчитываемое от начала излучения в очаге, варьируется сравнительно мало -  от 105 до 131с и не зависит от эпицентрального расстояния.

Кажущиеся скорости для группы SL очень малы – менее 100 м/с для некоторых трасс  (Котур-Булак – AA1, Котур-Булак – AA3 и Аглатас – CHM). Вместе с тем видимые интервальные скорости во много раз больше этой величины – они изменяются от 1.0 (отрезок AA3 – MDO) до 2.6 км/с (отрезок TLGMDO).

Наблюдается обратная зависимость между длительностью группы SL τ (на уровне 0.7 от максимума) и уровнем ее амплитуды относительно волны S (AsL/As).

Для трасс, проходящих в окрестностях зоны Заилийского разлома, обычно наблюдается эллиптическая поляризация  группы SL в вертикальной плоскости, похожая на поляризацию релеевских волн. Вместе с тем направления подхода этих волн характеризуются крайней неустойчивостью, резко изменяясь даже для близко расположенных станций; при этом они чаще всего существенно отличаются от азимута на эпицентр.

Для взрывов на карьере Аглатас, зарегистрированных станцией CHM (к западу от 76ºE), группа SL поляризована в горизонтальной плоскости, причем большая ось эллипсоида поляризации практически совпадает с азимутом на эпицентр. Аналогичным образом поляризована группа SL на записях близких землетрясений, полученных станцией KBK. В районе к востоку от 79° E группа SL также поляризована в горизонтальной плоскости, и положение большой оси эллипсоида поляризации близко к направлению на эпицентр.

Для интерпретации экспериментальных характеристик группы SL важное значение имеет следующее обстоятельство. Ранее Ю.Ф. Копничевым на основании анализа пространственно-временных характеристик S-коды было показано, что к зоне Заилийского разлома, где наиболее ярко проявляется группа SL, приурочен субвертикальный волновод, проникающий в верхнюю мантию. Совокупность имеющихся экспериментальных данных позволяет выдвинуть следующую гипотезу: группа SL представляет поперечные волны, распространяющиеся в субвертикальном волноводе, приуроченном к зоне Заилийского разлома и отраженные от тонкого слоя в верхней мантии (назовем его L-слоем).

Для района к западу от 76ºE глубина L-слоя составляет ~230±5 км. По величине Tm на малых расстояниях получена оценка толщины L-слоя: hL~1.8 км.

В окрестностях Заилийского разлома, где наблюдается большая мощность осадочных отложений (в Алматинской депрессии – до 4.2 км), при падении на поверхность отраженных S-волн происходит их конверсия в поверхностные волны Релея (А. Левандер, Р. Хилл). Проведенный нами анализ показывает, что некоторые дополнительные данные также не противоречат предложенной гипотезе.

Для выяснения природы  L-слоя необходимо учесть полученные ранее данные о временных вариациях структуры поля поглощения поперечных волн. В районе Северного Тянь-Шаня  такие вариации проявляются в коде только на временах  t < 135c, что примерно соответствует максимальному времени прихода группы SL (Ю.Ф. Копничев). Отсюда следует, что нижняя граница области верхней мантии, в которой наблюдаются вариации структуры поля поглощения во времени, практически совпадает с L-слоем.

По формуле

 

ASL/AS = (r0/r)1/2 exp(-ac(r-r0)) Nf VL,  ac = p/QscsT,                                   (4)

 

где r - путь, пройденный группой SL,  ac - амплитудный коэффициент затухания, представляющий сумму коэффициентов поглощения и рассеяния, Nf - фактор фокусировки, описывающий коэффициент увеличения амплитуды в зоне конвергенции, VL - коэффициент отражения от L-слоя, определен коэффициент отражения S-волн от L-слоя. Он оказался равным ~0.12.

Достаточно большой коэффициент отражения S-волн на границе L-слоя и отсутствие аналогичной группы отраженных продольных волн приводят к однозначному выводу о насыщенности слоя жидкой фазой. Малая мощность слоя и приуроченность его к нижней границе области верхней мантии, в которой наблюдаются быстрые временные вариации структуры поля поглощения поперечных волн, свидетельствуют о том, что жидкая фаза представляет не расплав, а подвижный флюид.

Одна из возможных причин появления L-слоя связана с процессами дегидратации высокоплотных гидросиликатов в верхней мантии (Л.Лиу). Глубина L-слоя близка к положению границы Леман, которая в разных районах находится на глубинах 200-250 км (Д. Андерсон). Судя по нашим результатам, эта граница может представлять тонкий слой, насыщенный жидкой фазой.

Интересно, что наиболее ярко группа SL проявляется в зоне Заилийского разлома,  которая аномальна по многим геолого-геофизическим и геохимическим данным: она характеризуется максимальным контрастом тектонических движений (В.Н.Крестников и др.), очень высоким тепловым потоком (А.В.Виляев), субмантийными отношениями изотопов гелия (Б.Г.Поляк и др.) и существенными вариациями структуры поля поглощения во времени. Все это говорит о присутствии в этой зоне заметной доли свободных флюидов.

 

В четвертом  разделе “Пространственно-временные вариации поля поглощения в Центральной и Южной Азии и миграция флюидов в земной коре и верхах мантии” на основании анализа характеристик поля поглощения исследуются геодинамические процессы в районах испытательных ядерных полигонов Азии и в очаговых зонах сильных землетрясений.

 

Неоднородности поля поглощения и геодинамические процессы в районе СИП. Анализировались записи 6 калибровочных химических взрывов мощностью от 25 до 100 т, проводившихся в 1997-2000 г.г. в районе СИП (И.Н. Соколова, Н.Н.Михайлова и др.), а также 261 ПЯВ, проводившихся в 1964-1989 гг. (В.Н. Михайлов и др.). Сейсмограммы получены как временными, так и стационарными трехкомпонентными цифровыми широкополосными станциями, установленными на эпицентральных расстояниях до 250 км. В общей сложности обработано более 200 записей. При обработке сейсмограмм использовались фильтры с центральными частотами 1.25 и 5 Гц.

На  площадке Балапан наблюдается очень быстрое затухание амплитуд при t=10-60с на записях станций, расположенных непосредственно перед зонами глубинных разломов или за ними, по сравнению с остальными станциями. В интервале 20-60с, соответствующем глубинам 35-120 км, эффективная добротность Qs варьируется от 55 до 115. Иная картина наблюдается для эпицентров калибровочных взрывов и станций ближней зоны на площадке Дегелен. В этом случае огибающие для разных станций в интервале t=20-60с затухают значительно слабее, чем для станций вблизи разломных зон на площадке  Балапан. В диапазоне t=20-60c величина Qs изменяется от 85 до 110, но для средней и нижней коры (глубины ~20-35 км), амплитуды в коде убывают достаточно быстро, не слабее, чем для района площадки Балапан.

Проведено сравнение огибающих коды для станции, расположенной вблизи разломной зоны на площадке Балапан, и для коды записей местных землетрясений и карьерных взрывов, которые построены по записям 40 цифровых станций в районе Центрального Тянь-Шаня, ограниченном координатами 39°-44° N и 73°-80° E (рисунок 2). При совмещении огибающих при t=60с в интервале от 10 до 60с, соответствующем диапазону глубин  ~20-120 км, все огибающие для района Тянь-Шаня затухают значительно медленнее, чем для станции  6 в районе площадки Балапан.

В то же время, в интервале t=100-300 с, соответствующем глубинам более 230 км,  в районе Центрального Тянь-Шаня кода затухает сильнее, чем для станции KURK, расположенной на расстоянии ~90 км к северу от эпицентров калибровочных взрывов в районе Балапана. Это свидетельствует об очень слабом поглощении на таких глубинах.

Для анализа поглощения на глубинах  ~10-20 км были использованы  огибающие коды, построенные по записям самых близких станций (D<7км) для фильтра с центральной частотой 5 Гц. В районе Балапана при t=5-10c (глубины ~10-20 км) форма огибающих достаточно устойчива; амплитуды в коде затухают очень быстро, величина Qs равна 50. Для сравнения была использована огибающая коды для зоны Заилийского разлома в районе Северного Тянь-Шаня, которая построена по записям взрывов на карьере Котур-Булак, полученным станцией TLG (D=10 км). В этой зоне наблюдается достаточно высокое поглощение S-волн; тем не менее, огибающая коды на частоте 5 Гц затухает гораздо слабее, чем для площадки Балапан (в интервале 5-10 с   Qs=480). Для площадки Дегелен затухание коды при t=5-10с несколько слабее, чем для Балапана, однако величина Qs достаточно мала (~80).

 

1 – общая огибающая коды, построенная по записям станций 6 (Балапан) и KURK. Огибающие коды для района Центрального Тянь-Шаня: 2 -совмещены при t = 60 с; 3 – при t=100с. Канал 1.25 Гц.

 

Рисунок 2 - Сопоставление огибающих коды, построенных в районе площадки Балапан и по записям 40 цифровых станций в районе Центрального Тянь-Шаня.

 

Таким образом, поле поглощения поперечных волн в районе площадки Балапан в 1997-2000 г.г. характеризовалось очень сильным поглощением в коре и верхах мантии. В районе площадки Дегелен на глубинах 10-230 км поглощение значительно слабее, чем для Балапана. Для всего района СИП характерно очень слабое поглощение в нижней части верхней мантии.

Для изучения временных вариаций поглощения в районе СИП проанализированы записи 261 ПЯВ, полученные станцией TLG. Рассматривались вариации параметра Lg/Pg, осредненные по годам, для площадок Балапан, Дегелен и Муржик.

Из анализа полученных данных следует, что средние величины параметра Lg/Pg для Дегелена и особенно Муржика  выше, чем для Балапана. Для всех трех площадок наблюдаются существенные временные вариации Lg/Pg. Для взрывов на Дегелене с середины 60-х до конца 70-х годов величина Lg/Pg заметно выросла; далее, до конца 80-х годов она оставалась примерно на одном уровне. Еще более значительно этот параметр вырос для взрывов на площадке Муржик (с 1965 по 1980 гг.). В то же время начиная с 1980 г. для Балапана наблюдается постепенное уменьшение величин Lg/Pg, в среднем они падают в 1988-89 г.г. на 0.4-0.5 ед. лог. В связи с этим в конце 80-х годов различие средних значений данного параметра для взрывов на Дегелене и Балапане достигает 0.6 ед. лог.

Наиболее вероятная интерпретация  обнаруженных эффектов связана с подъемом флюидов из нижней части  земной коры и верхней мантии. Ю.Ф. Копничевым  было показано, что в районе Северного Тянь-Шаня активная миграция флюидов по зоне Заилийского разлома наблюдалась после сравнительно слабых химических взрывов (мощностью до нескольких килотонн). Тем более это можно было  ожидать в районе СИП, где в течение 40 лет проводилось в среднем за год более 10 ядерных взрывов, мощность многих из которых превышала 100 кт.

Подъем флюидов наиболее ярко проявился в районе Балапана, где проходят два крупных разлома, проникающих в верхнюю мантию. Под действием сейсмических колебаний при мощных взрывах происходит раскрытие трещин и пор различного масштаба, что облегчает подъем флюидов из нижней коры и верхней мантии по разломным зонам. Полученные данные свидетельствуют о том, что миграция флюидов может происходить с глубин ~200 км.

Судя по структуре поля поглощения, каналы миграции флюидов сохранились в районе Балапана в течение 10 лет после прекращения ядерных испытаний. Самое высокое содержание флюидов наблюдается в северной и восточной частях СИП (для трасс от Балапана на станции TLG и BRVK). После проникновения флюидов в верхнюю кору они диффундируют по сетке разрывных нарушений, охватывая обширные территории. Механизм миграции флюидов позволяет объяснить существование крупной тепловой аномалии (У.М.Султангазин, Е.А.Закарин, Л.Ф.Спивак и др.) в районе северо-восточного Казахстана, включающем СИП.

Неоднородности поля поглощения короткопериодных S-волн в земной коре и верхах мантии в районе ЛИП. Анализировались записи коровых землетрясений и ПЯВ, полученные станциями MAKZ и KKAR в 1994-2006 гг. на эпицентральных расстояниях ~600-1500 км.

Использовались методы, связанные с анализом параметров Lg/Pg и Sn/Pn, а также скорости затухания коды Lg.

Для станции KKAR получена зависимость параметров Sn/Pn и Lg/Pg от расстояния в интервале D~760-1520 км. Для параметра Sn/Pn  выделяются два отрезка резкого падения значений: на расстояниях 980-1130 и 1380-1520 км (второй соответствует району ЛИП и его близким окрестностям). В то же время средние значения Lg/Pg  медленно уменьшаются с D (без резких скачков).

Согласно данным станции MAKZ,  по мере приближения к ЛИП существенно уменьшается эффективная добротность, соответствующая верхам мантии: от 350-370 на расстояниях до 150 км к северо-западу и к востоку от ЛИП до 240 непосредственно в районе полигона. В то же время добротность для более далекой коды (t=350-500 с), которая соответствует более глубоким горизонтам верхней мантии, остается практически постоянной (580-630).

Наши данные свидетельствуют о том, что району ЛИП соответствует повышенное поглощение S-волн в верхах мантии по сравнению с окружающими областями. В то же время в районе полигона не наблюдается аномалии поглощения в земной коре.

Отметим, что району испытательного ядерного полигона в Неваде (НИП) в 1990-х годах соответствовало повышенное поглощение в земной коре и пониженное – в верхах мантии  по сравнению с близкими окрестностями полигона (Ю.Ф. Копничев, И.Н.Соколова,   см. Приложение A).

Полученные результаты показывают, что пространственно-временные вариации поля поглощения S-волн в районах СИП и НИП связаны с подъемом в земную кору мантийных флюидов, обусловленным длительным интенсивным техногенным воздействием на геологическую среду. Судя по результатам, полученным  В.Л.Барабановым, Г.Г.Кочаряном, А.А.Спиваком и др., механизм этого эффекта, скорее всего обусловлен резким увеличением проницаемости пород при вибрационном воздействии.

Разница в интенсивности процессов подъема флюидов для разных полигонов должна определяться проницаемостью пород коры и верхов мантии, а также мощностью и количеством произведенных ПЯВ. Району НИП, где в значительной степени «осушены» верхи мантии и вместе с тем кора насыщена флюидами, соответствует относительно высокая проницаемость коры и верхов мантии (район расположен в рифтовой зоне запада США). Кроме того, на этом полигоне было произведено наибольшее количество мощных ПЯВ (более 800). В районе СИП насыщение флюидами земной коры произошло не на всей территории полигона, а в первую очередь в окрестностях крупных разломных зон, так как полигон расположен на слабосейсмичной Казахской платформе, которая характеризуется существенно меньшей проницаемостью пород. По сравнению с НИП здесь  произведено значительно меньшее количество ПЯВ (около 350).

ЛИП расположен в сейсмоактивном районе Восточного Тянь-Шаня, который характеризуется промежуточной проницаемостью пород коры и верхов мантии по отношению к рифтовой зоне запада США и Казахской платформе. Однако здесь было проведено гораздо меньше мощных ПЯВ (22), чем на двух других рассматриваемых полигонах.

Отсюда следует, что в районе ЛИП наблюдается начальная стадия подъема флюидов, которые сконцентрировались в верхах мантии и еще не успели в значительных количествах подняться в земную кору.

Вариации структуры поля поглощения в очаговых зонах сильных землетрясений. Были  изучены временные вариации структуры поля поглощения поперечных волн, наблюдавшиеся в очаговых зонах после 11 сильных землетрясений Тянь-Шаня с магнитудами 6.4-8.3. Анализировались сейсмограммы местных землетрясений и карьерных взрывов на эпицентральных расстояниях до 40-50 км, полученные 49 стационарными и временными сейсмическими станциями.

Анализ  коды записей ранних афтершоков в сравнении с более удаленными по времени «афтершоками» (DТ=7-13 лет) трех сильных землетрясений (Жаланаш-Тюпского (М=7.0), Байсорунского (М=6.4) и Сусамырского (М=7.3), показывает,  что для всех очаговых зон с течением времени наклон огибающих резко уменьшается, особенно заметно в интервале t=25-100 с. Это свидетельствует о существенном уменьшении поглощения на глубинах ~50-220 км.

Для пяти очаговых зон сильных землетрясений с М³7.3 исследованы  характеристики огибающих коды через большие промежутки времени (DТ=30-110 лет).  В целом огибающие характеризуются сравнительно быстрым затуханием при t < 25c и очень медленным – в интервале  t=25-100 с. Это говорит об очень сильном поглощении в нижней коре и очень слабом - в верхах мантии.

Для сравнения изучены огибающие коды для записей событий из зон высокой плотности палеодислокаций, связанных с землетрясениями с М>6.5, происходившими предположительно порядка тысячи лет назад (В.Н.Крестников, Р.М. Гальперина, И.Л. Нерсесов и др.). Для всех огибающих наблюдается достаточно быстрое затухание амплитуд, в интервале 25-100 с добротность варьируется от 190 до 235.

На рисунке 3 показана зависимость величины Qs  в интервале 25-100 с от времени  DТ. Видно, что добротность сравнительно медленно растет до DТ  ~ 10 лет. После этого скорость роста величины Qs резко увеличивается. Через 30-40 лет после землетрясения добротность достигает максимума и далее практически не изменяется.

Рисунок 3 - Зависимость величины Qs от DT.  Значок Ù указывает минимальную оценку параметра  Qs.

 

Полученные данные свидетельствуют о том, что в первые месяцы после сильных землетрясений концентрация флюидов в очаговых зонах на глубинах ~50-220 км достаточно высока. Уменьшение поглощения на таких глубинах со временем свидетельствует о том, что постепенно флюиды поднимаются из верхней мантии в кору, что согласуется с данными о высоком поглощении на глубинах ~20-50 км.

На основании данных МТЗ предполагается, что нижняя часть земной коры характеризуется относительно высоким содержанием флюидов, в то время как средняя кора представляет для флюидов непроницаемую перегородку (М.Н.Бердичевский, Л.Л. Ваньян, И.Г.Киссин и др.) Полученные  результаты показывают, что при сильных землетрясениях эта перегородка может разрушаться, в результате чего глубинные флюиды прорываются к земной поверхности по субвертикальным или наклонным каналам. Такие каналы в земной коре прослеживаются по данным о поглощении поперечных волн  (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова) и данным МТЗ  (М.Н.Бердичевский и др.).

 В  большинстве случаев очаговые зоны сильных землетрясений в течение длительного времени после этих событий характеризуются высоким поглощением поперечных волн на глубинах ~20-50 км. Отсюда следует, что большая часть мантийных флюидов не поднимается к поверхности, а остается в нижней коре.

По нашим данным, подъем флюидов осуществляется в первую очередь по крупным разломным зонам или их пересечениям. Отметим, что и большинство гидротермальных источников приурочено к зонам пересечения разломов или к их окончаниям (Д.Куревитц, Дж.Карсон).  Кроме того, по данным Е.А.Рогожина и др., очаги сильных землетрясений тяготеют к местам сочленения и пересечения крупных разломов.

Существенные изменения структуры флюидного поля начинают наблюдаться примерно через 10 лет после землетрясений с М >6.5, а через 30-40 лет после таких событий в некоторых локальных зонах большая часть свободных флюидов уходит из верхов мантии. После этого достаточно длительное время (несколько сотен лет) участок верхней мантии в очаговой зоне остается относительно «сухим». Вместе с тем данные о характеристиках коды в зонах палеодислокаций позволяют полагать, что через определенное время начинается новый эпизод подъема флюидов в данной области. Возможно, что именно циклы, связанные с миграцией флюидов в верхней мантии, и обусловливают известную повторяемость сильных землетрясений в определенных районах.

Полученные результаты можно рассматривать как одну из физических основ сейсморайонирования. Наши данные показывают,  что сильные землетрясения могут происходить там, где, во-первых, имеет место высокая концентрация свободных флюидов в верхней мантии, которой соответствует сильное поглощение на глубинах до 120-200 км, а во-вторых, в средней части коры существует непроницаемая перегородка, характеризующаяся очень слабым поглощением S-волн и весьма низкой электропроводностью, которая препятствует подъему ювенильных флюидов.

На основании полученных экспериментальных данных была оценена  скорость подъема флюидов в верхней мантии, которая для трех очаговых зон оказалась в пределах 0.2-0.3 мм/с. Для сравнения заметим, что скорость подъема магмы от границы коры в районе Камчатки, по данным С.А. Федотова, составляет несколько см/с.

Неоднородности поля поглощения в районе очага Ассамского землетрясения. Рассмотрены неоднородности поля поглощения короткопериодных поперечных волн в большом районе Гималаев и Южного Тибета, включающем очаговую зону великого Ассамского землетрясения 15 августа 1950 г. (Mw=8.6).

Исследовались цифровые записи коровых землетрясений с  M~4.0-5.5, полученные станциями    LSA и KMI в 1987-2004 гг.  Применялся метод, связанный с анализом короткопериодной коды волн Lg и Sn.  

Величины Q1 и Q2 в пределах очаговой зоны варьируются соответственно от 440 до 790 и от 340 до 380, а в ее близких окрестностях – от 190 до 490 и от 320 до 430. Параметр Q1/Q2 в самой очаговой зоне изменяется в пределах 1.19 – 2.32, а вне ее – от 0.50 до 1.21. Для сравнения заметим, что величины Q1/Q2  в слабосейсмичных районах в среднем равны 0.45±0.10 (Приложение Б).

Наиболее высокие величины Q1/Q2 вне области очага наблюдаются вблизи от северо-западной, западной и южной ее границ. Интересно, что к западу и к югу от очага расположены эпицентры наиболее сильных землетрясений, произошедших на расстояниях приблизительно до 350 км от его границ начиная с 1900 г. (Мs=7.0-8.0).

Таким образом, верхи мантии очаговой зоны Ассамского землетрясения через ~40-55 лет после этого события характеризовались существенной неоднородностью поля поглощения. Полученные данные согласуются с выводами о подъеме мантийных флюидов в очаговых зонах сильных землетрясений (Приложение Б).

Анализ вариаций поля поглощения в земной коре Тянь-Шаня по записям подземных ядерных взрывов. Исследованы вариации отношения амплитуд волн Lg и Pg (параметра Lg/Pg) по записям подземных ядерных взрывов на площадке Дегелен СИП, проводившихся в 1964-1989 гг. Записи получены 16 сейсмическими станциями, установленными в основном в районах Тянь-Шаня и Туранской плиты. Для сравнения использованы также записи станции NVS, трассы на которую проходят по слабосейсмичной окраине Западно-Сибирской плиты. По данным этой станции, параметр Lg/Pg  с 1973 по 1981 г. оставался практически постоянным. В то же время для трех станций, трассы на которые проходят через очаговые зоны землетрясений с магнитудами М=6.8-8.3 или вблизи от них, наблюдаются достаточно сильные вариации параметра во времени. Для станции KRM величина Lg/Pg  заметно упала за 1-2 года до Жаланаш-Тюпского землетрясения 24 марта 1978 г. (М=6.8). При ΔT≥15 лет наблюдается постепенное увеличение параметра Lg/Pg. Особенно заметно поглощение уменьшилось в течение примерно 15 лет для трасс на станцию GRM, которые пересекают очаговые зоны Чаткальского 1946 г.  (М=7.5) и Хаитского 1949 г. (М=7.4) землетрясений.

Предложена интерпретация обнаруженных эффектов, связанная с подъемом мантийных флюидов в земную кору и дальнейшей их миграцией в горизонтальном направлении в течение нескольких десятков лет после сильных землетрясений.

Изучение вариаций поля поглощения по макросейсмическим данным. Анализировались пространственно-временные вариации макросейсмических эффектов по данным для 32 сильных землетрясений (М≥6.0) в районах Тянь-Шаня и Памира, произошедших в 1885-1992 гг. Рассматривались следующие параметры: средние радиусы 6- и 7-балльных изосейст, приведенные к магнитуде М=7.0 (R16  и R17), а также отношения средних радиусов 4-балльной к радиусам 6- и 7-балльных изосейст  (R4/R6   и  R4/R7). Наблюдается постепенное уменьшение значений параметров R16  и R17, а также  R6/R4 и  особенно R7/R4 с конца 1800-х до 1970-1975 гг., после 1975 г. они резко увеличиваются. Кроме того, часто после сильных близких коровых землетрясений и глубокофокусных гиндукушских событий величины R16  и R17  резко падают, а R4/R6   и R4/R7    - в среднем возрастают.

Эти данные также свидетельствуют о подъеме ювенильных флюидов в верхнюю кору в очаговых зонах сильных коровых землетрясений и в крупных разломных зонах после сильных глубокофокусных событий и дальнейшей миграции их в горизонтальном направлении, что приводит к увеличению затухания амплитуд сильных движений. Имеющиеся геофизические и геохимические данные не противоречат такой интерпретации.

На основе полученных данных проведена оценка минимальной скорости миграции флюидов в верхней части земной коры. Для трех землетрясений: Кеминского, Хаитского и Дараут-Курганского получена величина Vf »0.4-1.2 мм/с (»13-43 км/год).

Через достаточно большой интервал времени после сильных землетрясений  (судя по полученным данным, ~ 25-30 лет), происходит заметное уменьшение содержания свободных флюидов и, возможно, частичное залечивание трещин в самих очаговых зонах и их близких окрестностях (скорее всего, в результате процессов гидратации горных пород, которые, как правило, сопровождаются увеличением их объема (В.А.Калинин, М.В. Родкин, И.С. Томашевская и др.). Это приводит к резкому уменьшению затухания амплитуд сильных движений.

 

В пятом разделе “Временные вариации поля поглощения в литосфере Северного Тянь-Шаня и характеристики сейсмичности” анализируются геодинамические процессы в районе Северного Тянь-Шаня по данным о характеристиках поля поглощения и сейсмичности.

 

Данные о неоднородностях поля поглощения  в аномальной зоне Северного Тянь-Шаня, полученные на основе анализа записей глубокофокусных гиндукушских землетрясений за 1998-2000 гг., были сопоставлены с данными, полученными за 2005 г. Средние величины параметра S/P  для диапазона глубин 70-110 км в 2005 г. уменьшились для всех станций группы KNET, за исключением ст. ULHL. Наибольший контраст величин S/P  при малом изменении эпицентрального расстояния (<~30-35 км) наблюдается между станциями TKM2 и ULHL   (-0.65 по сравнению с -0.43 в 1998-2000 гг.).

По данным для диапазона глубин 190-230 км для всех станций зарегистрировано падение средних величин S/P, особенно заметное для станций AAK, KZA и TKM2  (соответственно -0.50, -0.43 и -0.49). Для других станций величины S/P   изменились существенно слабее: от -0.15 (CHM)  до -0.34 (EKS2). Максимальный контраст величин S/P при малом изменении Δ снова соответствует станциям TKM2 и ULHL (-0.87 по сравнению с -0.57 в 1998-2000 гг.).

Резкое различие величин S/P по данным станции  TKM2, полученное для двух диапазонов глубин, говорит о том, что основное поглощение S-волн в аномальной зоне приходится на верхи мантии. Величины  Qs в этой зоне, оцененные по соотношению параметров S/P для станций  TKM2 и  KZA, составляют ~45 и ~30  для диапазонов глубин соответственно 70-110 и 190-230 км. Отсюда следует, что эффективная добротность для  S-волн в верхах мантии в 2005 г. здесь была в 2-3 раза ниже, чем для полосы сильного поглощения в 1998-2000 гг.

По данным станции TKM2, в аномальной зоне  в 2005 г. резко увеличилось затухание S-коды в интервале t =19-45 с, что соответствует увеличению поглощения на глубинах ~35-85 км. По данным станции KZA, поглощение увеличилось в диапазоне глубин ~25-55 км (в средней и нижней коре). По данным станции KBK, поглощение выросло в диапазонах глубин ~20-35 и 75-120 км. Полученные данные показывают, что после 2000 г. сильное изменение структуры поля поглощения, связанное с подъемом флюидов в нижнюю и среднюю кору, произошло в сравнительно узких полосах на границе аномальной зоны.

В области, ограниченной координатами 42-43º N,  74-76º E, которая включает аномальную по поглощению зону Северного Тянь-Шаня, начиная с 2003 г. наблюдается существенный рост общего количества зарегистрированных землетрясений. Кроме того, в 2001-2006 гг. в этом районе резко выросла доля относительно глубоких событий (h >15 км). Ранее было показано, что этот эффект служит важным прогностическим признаком (И.Л.Нерсесов, В.С.Пономарев, Ю.М.Тейтельбаум и др.). Интересно, что относительно глубокие очаги, произошедшие в 1999-2005 гг.,  располагались по контуру эллипса (рисунок 4),  внутри которого находятся  восточная часть Киргизского хребта и Кочкорская впадина.

До 2000 г. в районе Северного Тянь-Шаня доминировали взбросы и взбрососдвиги (примерно 75% от общего количества событий (Н.Н. Михайлова, А.А.Власова)). Позднее постепенно увеличивалась доля сбросов и сбрососдвигов: в 2005 г. она составила уже ~48%. Примерно такой же процент сбросов и сбрососдвигов наблюдался в 2005 г. и в рассматриваемом небольшом районе, включающем аномальную зону (~43%). Существенно, что большая часть эпицентров этих событий (~2/3) сконцентрирована вблизи  контура эллипса, сформированного очагами глубоких событий.

Совокупность полученных данных согласуется с моделью формирования очага сильного корового землетрясения, в которой важную роль играет подъем глубинных флюидов, в связи с чем была  выдвинута гипотеза о подготовке сильного тектонического события (М≥6.0) в рассматриваемом районе (Ю.Ф.Копничев, Н.Н. Михайлова, И.Н.Соколова, И.Л.Аристова).

 

Рисунок 4 - Эпицентры относительно глубоких землетрясений в районе аномальной области за 1999-2005 гг. Треугольники – сейсмические станции. Незалитый  значок – эпицентр землетрясения 25.12.2006 (М=5.8).

 

25 декабря 2006 г. вблизи от границы эллипса  произошло землетрясение с Mw = 5.8 (t0=20-01-00.45,  j =42.16°   l=76.16°, h=11 км). Это землетрясение ощущалось на большой территории Кыргызстана (максимальная интенсивность составила 7-8 баллов) и Казахстана. Указанное событие произошло примерно через 14 мес. после Кашмирского землетрясения 08.10.2005, что согласуется с прогнозом времени отклика на группу событий 2002-2005 гг. (Ю.Ф.Копничев, И.Н.Соколова, см. раздел 2.2). Магнитуда этого землетрясения оказалась чуть ниже ожидавшейся. Судя по пространственно-временным вариациям поля поглощения и сейсмичности, это событие, скорее всего, было «отдаленным» форшоком готовящегося более сильного землетрясения (с M³6.5).

 

Приложение А. Неоднородности поля поглощения короткопериодных S-волн в земной коре и верхах мантии в районе полигона Невада. Анализировались записи ПЯВ и землетрясений из района НИП и его близких окрестностей, полученные станциями TUC и CMB в 1990-х годах. Для обеих станций параметр Lg/Pg резко падает при пересечении территории НИП.  

По данным станции TUC,  величины Qs в начальной части коды Lg равны 300 для событий к югу от НИП и 400 и 430 для двух площадок полигона. По данным станции CMB, величины Qs ~200 для событий к северу и к северо-западу от НИП, и ~280 для самого полигона. Полученные данные свидетельствуют о том, что району НИП в 1990-х годах соответствовало повышенное поглощение в земной коре и пониженное – в верхах мантии  по сравнению с близкими окрестностями полигона.

 

Приложение Б. Пространственно-временные вариации поля поглощения в очаговых зонах сильных землетрясений с разными типами подвижек.  Были рассмотрены вариации поглощения короткопериодных поперечных волн в очаговых зонах 34 сильных и сильнейших землетрясений (М=7.0-9.3) в районах Центральной и Восточной Азии, а также Северной, Центральной и Южной Америки (с разными фокальными механизмами). Для сравнения также рассматривались характеристики поля поглощения в тех районах, где начиная с 1990 г. не было событий с М³6.5. Анализировались сейсмограммы сравнительно слабых событий на эпицентральных расстояниях  ~300-600 км, по которым определялись значения Q1/Q2 (см. раздел 1.2).

Для слабосейсмичных районов, величины  Q1/Q2 обычно изменяются в пределах узкого диапазона 0.35-0.55. Параметр Q1/Q2 возрастает до DТ<~ 20 лет и варьируется от 0.65 до 3.20 при DТ>15 лет. Максимальные величины параметра (1.60–3.20) наблюдались в очаговых зонах землетрясений Хайюаньского (1920), Ассамского (1950), Босо-оки (1953), Муйского (1957) и Сумбинского (1977). При DТ > 15 лет  для сбросов и сдвигов наблюдаются гораздо более высокие величины Q1/Q2, чем для взбросов и надвигов. Полученные данные показывают, что после сильных и сильнейших землетрясений ювенильные флюиды поднимаются в земную кору из верхов мантии (с глубин ~50-200 км). Это согласуется с очень сильным затуханием волн Lg  в очаговой зоне Великого Чилийского землетрясения 1960 г., с временными вариациями поглощения поперечных волн в очаговых   зонах сильных землетрясений Тянь-Шаня  (Ю.Ф. Копничев, И.Н.Соколова), а также с вариациями скоростей S- волн в очаговой зоне сильнейшего землетрясения в Антофагасте (Северное Чили) (С. Хьюсен, Е. Кисслинг). Аномально высокие величины Q1/Q2 для сильнейших сбросов и сдвигов, скорее всего, связаны с относительно высокой проницаемостью пород в таких областях.

 

Приложение В. Свидетельства миграции флюидов по геохимическим данным. Были проанализированы литературные данные о вариациях отношения содержания изотопов гелия (параметра  R = 3He/4He) в подземных флюидах вблизи от очагов сильных землетрясений, а также в окрестностях некоторых крупных разломных зон в районах Тянь-Шаня, Монголии, Калифорнии, Центральной Японии и Центральных Апеннин (Б.Г.Поляк, Б.Кеннеди, Ю.Сано, Ф.Италиано, Дж.Мартинелли и др.). Показано, что во многих случаях наблюдается закономерное уменьшение величин  R по мере удаления от очагов сильных землетрясений и зон крупных региональных разломов. Это служит свидетельством подъема мантийных флюидов в верхнюю часть земной коры после сильных землетрясений, а также в некоторых разломных зонах, характеризующихся сверхвысокой проницаемостью, и дальнейшим расплыванием их в горизонтальном направлении. Предполагается, что поступление ювенильных флюидов под сверхгидростатическим давлением является необходимым условием криповых движений по крупным разломам. Сделаны оценки скорости миграции флюидов в верхней части земной коры. Величина Vf  варьируется в диапазоне ~1-3 мм/с, что хорошо согласуется с оценками, сделанными в разделе 4.3.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В диссертационной работе решена проблема анализа геодинамических процессов в Центральной и Южной Азии, связанных с миграцией глубинных флюидов.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации работы состоят  в следующем:

1. Обнаружен эффект группирования сильных землетрясений в регионе Центральной и Южной Азии. Пару связанных между собой землетрясений составляют глубокофокусное гиндукушское (M≥6.7), сопровождаемое  коровым (M≥7.0) событием в районе, ограниченном координатами 30-50° N и 50-90° E с запаздыванием до 4.5 месяцев. Такие события  происходят в интервалы долговременного (несколько лет) увеличения скорости вращения Земли. Тройку событий формируют глубокофокусное гиндукушское и коровое алтайское землетрясения (M≥7.0), сопровождаемые событием на Северном Тянь-Шане (M≥6.0) с запаздыванием до 1.5 лет.

На основе анализа совокупности геофизических и геохимических данных предложены механизмы, которые могут объяснять эффекты группирования сильных землетрясений. Сильное коровое землетрясение после гиндукушского происходит, скорее всего, вследствие перестройки флюидного поля в обширном регионе Центральной и Южной Азии (обусловленной глубокофокусным событием). Появление троек сильных событий связано c перераспределением напряжений  после пары сильных землетрясений в районах Гиндукуша и Алтая.

На основании анализа характеристик сейсмичности высказано предположение, что в районе Северного Тянь-Шаня в период с октября 2005 г. до апреля 2007 г. может реализоваться  сильное землетрясение с М³6.0.

2. По записям глубокофокусных гиндукушских землетрясений было закартировано поле поглощения S-волн в литосфере Центрального Тянь-Шаня. Установлено, что поле поглощения в рассматриваемом районе характеризуется очень большой неоднородностью. Относительно слабое поглощение наблюдается в районах крупных впадин. В  западной части района выделяется полоса высокого поглощения, к которой приурочены очаги двух сильнейших землетрясений, произошедших в районе Тянь-Шаня за последние 25 лет. Выделена аномальная по поглощению зона Северного Тянь-Шаня, которая может  быть связана с подготовкой сильного землетрясения.

Аномалии сильного поглощения в этой зоне выделяются также по записям местных землетрясений и карьерных взрывов.

3. В районе Северного Тянь-Шаня на записях местных землетрясений и карьерных взрывов выделена необычная группа волн. Совокупность полученных данных свидетельствует о том, что данная группа связана с отражением поперечных волн от тонкого слоя в верхней мантии, насыщенного флюидами.

4. Получены данные, свидетельствующие о том, что длительное интенсивное техногенное воздействие в районах крупных ядерных полигонов приводит к существенному изменению структуры флюидного поля в земной коре и верхах мантии. Обсуждены особенности геодинамических процессов в районах трех ядерных полигонов.

5. Обнаружены зоны высокого поглощения S-волн на глубинах 50-220 км в очаговых зонах сильных землетрясений Тянь-Шаня сразу после этих событий. С течением времени, прошедшего после сильных землетрясений, закономерно уменьшается поглощение в верхах мантии с одновременным увеличением поглощения в нижней коре. Полученные данные свидетельствуют о подъеме мантийных флюидов в земную кору после сильных землетрясений.

Выделены неоднородности поля поглощения S-волн в верхах мантии очаговой зоны сильнейшего Ассамского землетрясения 1950 г. Установлена существенная зависимость скорости подъема мантийных флюидов от механизма очага землетрясения.

Путем анализа записей ПЯВ на СИП обнаружены существенные временные изменения структуры поля поглощения S-волн для трасс, проходящих через очаговые зоны сильных землетрясений, что связывается с миграцией ювенильных флюидов в земной коре.

Установлено, что параметры макросейсмического поля могут закономерным образом изменяться в районах Тянь-Шаня и Памира в течение многих десятков лет. Предложена интерпретация обнаруженных эффектов, связанная с миграцией глубинных флюидов.

6.      Получены данные, свидетельствующие о существенном изменении структуры поля поглощения S-волн в земной коре и верхах мантии в выделенной нами аномальной зоне Северного Тянь-Шаня в 2005 г. по сравнению с 1998-2000 гг.  На границах зоны сформировались субвертикальные области очень сильного поглощения в нижней коре и верхах мантии, которые  свидетельствует об активной миграции ювенильных флюидов. В 1999-2005 гг. в аномальной зоне сформировалась эллиптическая структура, образованная очагами относительно глубоких землетрясений. На границах этой структуры в 2005 г. преобладали землетрясения с подвижками типа сброса и сбрососдвига.

25 декабря 2006 г., в рассматриваемой зоне произошло Кочкорское землетрясение с M=5.8. Таким образом, предположение о подготовке в этой зоне сильного тектонического события  практически подтвердилось.

Оценка полноты решения поставленных задач. В работе всесторонне раскрыты закономерности миграции флюидов в земной коре и верхах мантии в очаговых зонах сильных землетрясений, а также в районах испытательных ядерных полигонов. Достигнуты цели исследований, с достаточной полнотой решены задачи, поставленные в диссертации.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Полученные результаты рекомендуется использовать в работах по сейсморайонированию Центральной Азии, среднесрочному прогнозу сильных землетрясений, а также при выборе мест для установки станций мониторинга ПЯВ и землетрясений.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Результаты исследований стали частью республиканских программ РНЦТП  05.02.01 «Мониторинг ядерных испытаний национальными  станциями контроля в составе международной      системы мониторинга в соответствии с договором о всеобъемлющем      запрещении ядерных испытаний»,  НТП 04.01.02А «Развитие Национального Центра данных, технологий и методов сбора и обработки данных сейсмического и инфразвукового мониторинга», Республиканской бюджетной программы 023 «Перевод архива исторических сейсмограмм ядерных взрывов и землетрясений, зарегистрированных станциями специального контроля с бумажных записей на электронные носители», а также проекта МНТЦ KR-837 «Трехмерная скоростная модель литосферы Тянь-Шаня в связи с проблемами геодинамики и сейсмоопасности».

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в этой области. Проведенный анализ и оценка работ по изучению характеристик поля поглощения S-волн в странах СНГ и за рубежом позволяют сделать вывод, что работа соответствует современному научно-техническому уровню.


Список опубликованных работ по теме диссертации

 

1 Копничев Ю.Ф. Соколова И.Н. Вариации скорости вращения Земли и геодинамические процессы в Центральной Азии // Доклады АН. -  1997. - Т. 353, N 3. - C. 386-389.

2 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. О геодинамических процессах, связанных с парами сильных землетрясений в Центральной и Южной Азии // Прогноз землетрясений и глубинная геодинамика. - Алматы. - 1997. - С. 83-91.

3 Копничев Ю.Ф, Шепелев О.М., Соколова И.Н.   Распознавание ядерных взрывов и землетрясений на региональных расстояниях для полигона Лобнор // Вестник НЯЦ РК. Геофизика и проблемы нераспространения. - 2000. - Вып.2. - С.65-77.

4 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н., Шепелев О.М. Временные вариации поля поглощения поперечных волн в очаговых зонах сильных землетрясений // Докл. РАН. - 2000. - Т.374, N 1. - С. 99-102.

5 Копничев Ю.Ф., Шепелев О.М., Соколова И.Н.  Исследования по сейсмическому распознаванию подземных ядерных взрывов и землетрясений на полигонах Индии и Пакистана. // Вестник НЯЦ РК. Геофизика и проблемы нераспространения.– 2000. Вып. 2. - С. 96-101.

6 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Новые данные о структуре поля поглощения поперечных волн в районе Семипалатинского полигона // Вестник НЯЦ РК. Геофизика и проблемы нераспространения. - 2001. - Вып. 2. - С. 106-114.

7 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Вариации структуры поля поглощения поперечных волн в районе Семипалатинского полигона // Докл. РАН. - 2001. - Т. 379, №5. – C.670-674.

8 Копничев Ю.Ф., Шепелев О.М., Соколова И.Н.  Исследования по сейсмическому распознаванию подземных ядерных взрывов на полигоне Лобнор // Физика Земли. - 2001. - № 12. - С.64-77.

9 Соколова И.Н., Шепелев О.М. Особенности волновой структуры сейсмических записей подземных ядерных взрывов // Труды конференции-конкурса молодых ученых. – Курчатов, 2001. - С. 69-76.

10 Соколова И.Н. Сравнительный анализ динамических характеристик записей калибровочных экспериментов Омега 1, 2, 3 на бывшем Семипалатинском полигоне // Сборник трудов II конференции-конкурса НИОКР молодых ученых и специалистов НЯЦ РК (13-15 мая 2002) г. Алматы, Казахстан. - Алматы: ИЯФ НЯЦ РК,  2002. - С. 53-74.

11 Копничев Ю.Ф., Павлис Г., Соколова И.Н.  Неоднородности литосферы и очаги сильных землетрясений Центрального Тянь-Шаня // Докл. РАН. - 2002. - Т. 387, №4. - С.528-532.

12 Копничев Ю.Ф., Баскутас. И., Соколова И.Н. Пары сильных землетрясений и геодинамические процессы в районе Центральной и Южной Азии // Вулканология и сейсмология. - 2002. - № 5. - С.49-58.

13 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации поля поглощения S-волн в очаговых зонах сильных землетрясений Тянь-Шаня // Физика Земли. - 2003. - № 5. - C.73-86.

14 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Мантийные флюиды и сильные коровые землетрясения // Напряженно-деформированное состояние и сейсмичность литосферы. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. - С.63-67.

15 Соколова И.Н., А.К. Мусин, Г.С. Султанова. Распознавание сейсмических источников на территории Семипалатинского испытательного полигона по данным станций сейсмической сети НЯЦ РК // Вестник НЯЦ РК. «Геофизика и проблемы нераспространения». Радиоэкология. Охрана окружающей среды: - 2003. - Вып. 2. - С.61-67.

16 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Изучение вариаций поля поглощения поперечных волн в районе Центральной Азии по записям ядерных и химических взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне // Вестник НЯЦ РК. Геофизика и проблемы нераспространения. - 2003.-  Вып. 2. - С.83-87.

17 Соколова И.Н. Геодинамические процессы в районе Семипалатинского полигона испытательного полигона // Сборник трудов конференции конкурса молодых учёных (14-15 мая 2003 г.). – Курчатов: ИАЭ НЯЦ РК, 2003. - С. 195-200.

18 Kopnichev Yu.F., Sokolova I.N.  On the Nature of an Unusual Wave Train Observed in the Northern Tien Shan Region //  BSSA. - 2004. - V.94. N 1, - P.1-15.

19 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Анализ пространственно-временных вариаций поля поглощения поперечных волн в очаговых зонах сильных землетрясений Тянь-Шаня по записям подземных ядерных взрывов // Докл. РАН. - 2004. - Т. 395, № 6. - С.818-821.

20 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации макросейсмических эффектов сильных землетрясений в районах Тянь-Шаня и Памира // Вестник НЯЦ РК.  - 2004.  - Вып.3. - С. 104-110.

21 Копничев Ю.Ф., Михайлова Н.Н., Соколова И.Н. О геодинамических процессах в районе Центрального Тянь-Шаня: выделение аномальной области по сейсмическим данным // Вестник НЯЦ РК. «Геофизика и проблемы нераспространения» -  2004. - Вып. 3. - С.111-118.

22 Соколова И.Н. Распознавание подземных ядерных взрывов и землетрясений на региональных расстояниях  по станциям  сейсмической сети НЯЦ РК // Вестник НЯЦ РК. «Геофизика и проблемы нераспространения» - 2003 - Вып. 3. - C.119-123.

23 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения поперечных волн в земной коре и верхней мантии Центрального Тянь-Шаня // Горный журнал Казахстана. - 2004. - № 5. - C. 25-29.

24 Гордиенко Д.Д., Соколова И.Н. Вариации структуры короткопериодных волновых полей и поглощение сейсмических волн в районе Центральной Азии // Ядерный потенциал Казахстана. – Алматы, 2005. - C.66-74.

25 Соколова И.Н. Распознавание сейсмических событий по данным станций НЯЦ РК // Ядерный потенциал Казахстана. Алматы,  2005. - C.75-81.

26 Соколова И.Н. Распознавание подземных ядерных взрывов и землетрясений на региональных расстояниях // Российский геофизический журнал. - Санкт-Петербург, 2004. - № 35-36.  - C.140-143.

27 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. О новых возможностях среднесрочного прогноза землетрясений на Северном Тянь-Шане // Высшая школа Казахстана. Геодезия. Картография. Геоинформационные системы. - 2004. - № 1. - С.21-28.

28 Гордиенко Д.Д., Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации поля поглощения S-волн в очаговых зонах сильных и сильнейших землетрясений Центральной Азии // Современная геодинамика и сейсмичность Центральной Азии: фундаментальный и прикладной аспекты: материалы Всероссийского совещания. – Иркутск,  2005. - С. 317-321.

29 Гордиенко Д.Д., Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Вариации поля поглощения  короткопериодных поперечных волн в очаговых зонах сильных землетрясений: свидетельства подъема мантийных флюидов // Современные аспекты развития сейсмостойкого строительства и сейсмологии: труды Международной научной конференции.  27-29 сентября 2005. - Душанбе: Дониш, 2005. - С. 9-13.

30 Копничев Ю.Ф., Гордиенко Д.Д., Соколова И.Н. Пространственно- временные вариации поля поглощения S-волн  в очаговых зонах сильных и сильнейших землетрясений // Вестник НЯЦ РК. - 2005. - Вып.2 (22). - С. 122-126.

31 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Подъем мантийных флюидов в районах очагов сильных землетрясений и крупных разломных зон: геохимические свидетельства // Вестник НЯЦ РК. - 2005. - Вып.2 (22).  - С. 147-155.

32 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации макросейсмичеких эффектов сильных землетрясений в районах Тянь-Шаня и Памира: свидетельства миграции. Флюиды в земной коре // Доклады Казахстанско-Российской конференции посвященной  году России в Казахстане «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска». 22-24 июня 2004.- Алматы, 2005.

33 Копничев Ю.Ф. Михайлова Н.Н., Соколова И.Н., Аристова И.Л. Новые данные о геодинамических процессах в аномальной зоне Северного Тянь-Шаня: возможная подготовка сильного землетрясения // Вестник НЯЦ РК. - 2006. - Вып. 2.- С 60-70.

34 Гордиенко Д.Д., Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации поля поглощения короткопериодных S-волн в очаговых зонах сильных и сильнейших землетрясений // Доклады РАН. - 2006. - Т 408, N 2. - C. 238-242.

35 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Группирование сильных землетрясений в районе Центральной Азии: новые возможности среднесрочного прогноза сейсмических событий на Северном Тянь-Шане // Докл. РАН. - 2006. - Т 411, N 2. – С. 246-249.

36 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Пространственно-временные вариации макросейсмических  эффектов сильных коровых землетрясений в районах Тянь-Шаня и Памира: свидетельства миграции ювенильных флюидов // Вестник НЯЦ РК.- 2006. - Вып. 4. - С. 94-103.

37 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения короткопериодных сейсмических волн в литосфере Центрального Тянь-Шаня // Вулканология и сейсмология. - 2007. - N 5. - С.54-70.

38 Копничев Ю.Ф., Гордиенко Д.Д., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения короткопериодных S-волн в очаговой зоне Ассамского землетрясения 15 августа 1950 г. // Докл. РАН. - 2007. - Т 416, N 3. - С.380-383.

39 Соколова И.Н., Мукамбаев А.С. Модель сейсмического шума по наблюдениям сейсмической станции «Подгорное» // Вестник НЯЦ РК. Геофизика и проблемы нераспространения. - 2007. - Вып. 3. -  С.111-117.

40 Соколова И.Н. Сейсмическое распознавание северокорейского ядерного взрыва на региональных расстояниях // Вестник Национальной инженерной академии Республики Казахстан. - 2007. - № 4. - С. 88-93.

41 Соколова И.Н.  Распознавание ядерных взрывов и землетрясений по сейсмическим записям // Промышленность Казахстана. - 2007. - № 6 (45). - С. 40-42.

42 Соколова И.Н., Михайлова Н.Н. О характеристиках сейсмического шума на периодах, близких к 1.7 с, по данным станций Северного Тянь-Шаня // Вестник НЯЦ РК. - 2008. - Вып. +1. - С 48-53.

43 Соколова И.Н. Построение годографа для Западного Казахстана по записям промышленных ядерных взрывов // Вестник НЯЦ РК. - 2008. - Вып. 1.-С 63-67.

44 Соколова И.Н. Исследование динамических параметров сейсмических записей первичных и повторных взрывов // Вестник НЯЦ РК. - 2008. - Вып. 1.- С 68-73.

45 Соколова И.Н. Сопоставление структуры короткопериодных волновых полей  на региональных расстояниях для казахстанских сейсмических станций  BVAR и BRVK // Вестник НЯЦ РК. - 2008. - Вып. 1.- С 74-77.

46 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Неоднородности поля поглощения короткопериодных S-волн в земной коре и верхах мантии в районе полигона Лобнор // Докл. РАН. - 2008. - Т 420, N 2. - C. 239-242.

         47 Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Характеристики сейсмичности и поля поглощения S-волн в районе очага Суматринского землетрясения 26 декабря 2004 г. // Докл. РАН.- 2008. - Т 422, № 5.   С.672-676.

 

 


Соколова Инна Николайқызы

 

Орта және онтүстік Азияның жер қыртысы мен жоғары мантиясында S-толқындар жұтылу өрісінің кеңістік-уақыттық варияциялары

 

25.00.10 геофизика, пайдалы қазбаларды iздеудiң геофизикалық әдicтемелерi

 

Түйінсөз

 

Зерттеу объектісі.  Жер қыртысы мен жоғарғы мантияда қысқа периодты S-толқындар жұтылу өрісі.

Жұмыс мақсаты. Жұтылу өрісінің кеңістік-уақыттық варияциялары туралы деректерін талдау негізінде Орта және онтүстік Азия аумағында, терендегі флюидтер жылыстауымен байланысты геодинамикалық процесстерін зерттеу. 

Зерттеу әдістері. Жұтылу өрісінің құрылымын зерделеу үшін ғылымда мәлім және, ретті мен ретті емес сейсмикалық толқындарын талдауымен байланысты кейбір жаңа әдістері қолданылған. Оларға, сонымен қатар, жататыны: жергілікті оқиғалардың S-коданың орайжанауышы бойынша жұтылу өрісінің қимасын құру әдісі, тоғысы терең жерсілкінулер мен жақындағы карьерлік жарылыстардың жазбаларында S- және P-толқындардың амплитудаларының арақатыстары бойынша, Lg мен Pg толқындардың амплитудаларының қатынастары бойынша, Sn және Lg толқындардың қодаларының сипаттамалары бойынша жұтылу өрісін карталау әдісітері.

Негізгі нәтижелер. Бұл жұмыста Орта және Онтүстік Азиядағы өзара байланысты тоғысы терең және жер қыртысындағы жерсілкінулердің қостары мен топтары ерекшеленген.

Үш ядролық полигондардың аудандарында (Семей, Лобнор, Невада) S-толқындар жұтылу өрісінің сипаттамалары туралы деректері салыстырылған, олар, ұзақ уақытта қарқынды ядролық жарылыстар нәтижесінде жоғарғы мантияның жеткілікті тереңдігінде ортаның құрылымы өзгерілгенін көрсеткен, бұл, ювенильді флюидтер көтерілуімен байланысты болуы мүмкін. Гиндукуштегі тоғысы терең жерсілкінулердің жазбалары бойынша Орталық Тянь-Шаньнің литосферасында S-толқындар жұтылу өрісінің карталауы жүргізілген. Тянь-Шань ауданында соңғы 25 жылда болған екі өте қатты жерсілкінулердің ошақтарына байланыстырылған қатты жұтылу жолағы анықталған. Жұтылу өрісінің біртекті еместігі туралы деректер жиынтығы бойынша Солтүстік Тянь-Шань ауданында аномаль зонасы контурланған, ол Қырғыз жотасының шығыс бөлшегі мен Кочкор ойпаңына ұштастырылған. Қаралудағы зонада жұтылу өрісінің уақыттық вариациялары мен сейсмикалылығының сипаттамалары зерделенген. Іс жүзінде, 2005 ж. 12.25-індегі Кочкор жерсілкінуінің уақыты мен жерінің орта мерзімді болжауы ақталған (М=5.8).

Солтүстік Тянь-Шань ауданында жергілікті жерсілкінулер мен карьерлік жарылыстардың жазбаларында толқындардың аномаль тобы анықталған (SL). Бұл тобы, жоғарғы мантиядағы флюидтермен қаныққан жұқа қабаттан S-толқындар шағылысу нәтижесінде қалыптасуы туралы болжау ұсынылған.

Алғашқы рет, Тянь-Шань мен Памир аудандарының жағдайларына салыстыра, қатты жерсілкінулердің макросейсмикалық әсерлері кейбір аудандарда көп жылдар бойы заңды түрінде өзгеруі болатыны көрсетілген. Деректерді өзінше пайымдауы жер қыртысының жоғарғы бөлшегінде ювенильдік флюидтердің жылыстауымен байланысты. Қатты жерсілкінулерден кейін, сондай-ақ кейбір өте жоғары өтімділігімен сипатталатын жарылымды аймақтарында жер қыртысының жоғары бөлшегіне мантиялық флюидтер көтерілуін куәландыратын, жерсілкінулердің ошақтарынан және, ірі жарылымдар аймағынан алыстауымен жерасты суларда гелий изотоптардың мөлшерірінің қатынастары (R = 3He/4He параметрі) заңды түрінде азаю және кейінде горизонталь бағытында таралу фактісі анықталған. Мантияның жоғарғы бөлшегімен жер қыртысының жоғарғы бөлшегінде фдюидтер жылыстау жылдамдығын бағалауы жасалған.

Негізгі конструктивтік, технологиялық және техникалық-пайдалану сипаттамалары. Зерттеулердің әдістемелері, сұйық фазасы бар болуына ең сезімтал болатын қысқа периодты көлденең толқындардың динамикалық сипаттамаларын талдауымен байланысты.  Бұл, жер қыртысы мен мантияның жоғарғы бөлшегінде ювенильді флюидтер жылыстау процесстерін сенімді түрінде бақылауына мүмкіншілік береді.

Іске енгізу дәрежесі. Әдістеме табысты іске енгізілген де ядролық жарылыстар мониторингі және жер қыртысы мен мантияның жоғарғы бөлшегінде геодинамикалық процесстерін зерделеуімен байланысты мәселелерін шешу үшін ҚР ҰЯО мен РҒА ЖФИ қолданылады.

Ғылыми-зерттеу жұмысын іске енгізу бойынша ұсыныстар немесе іске енгізу қорытындылары. Алынған нәтижелері, Орталық Азияны сейсмоаудандау,  ірі жерсілкінулерін орта мерзімді болжау, ядролық жарылыстар мен жерсілкінулер мониторингі қондырғыларын орнату үшін орын таңдау бойынша жұмыстарда, әр текті оқиғаларын тануына қатысты сейсмикалық стансаларының тиімділігін бағалауында, ядролық жарылыстар мен жерсілкінулерін тану мақсатында Орталық және онтүстік Азияның аудандарын карталауында қолдануға ұсынылады.

Қолдану саласы. Жер қыртысы мен мантияның жоғарғы бөлшегін зерделеу, геодинамикалық процесстерін зерттеу, сейсмоаудандау, жерсілкінулеріне орта мерзімдік болжам, ЖЯЖ, химиялық жаралыстар мен жерсілкінулерін тану.

Жұмыстың экономиялық тиімділігі. Сейсмикалық қауіпі мен жерсілкінулерін орта мерзімдік болжамы проблемеларын шешу үшін  ұсынылған әдістерін қолдануы, қатты жерсілкінулер болуында құрбан сандары мен экономикалық шығындарын азайтуға мүмкіндік береді.

Зерртеу объектісі даму туралы болжамдағы жорамалдар. Жұмыстағы әзірленген көзқарастарын жер шарының басқа аумақтарында жұтылу өрісінің кеңістік-уақыттық вариацияларын зерделеу үшін қолдануға болады.

Іс жүзінде жүзеге асыру. Алынған нәтижелері Тянь-Шаньді сейсмоаудандау бойынша жұмыстарында, сондай-ақ ЖЯЖ мен жерсілкінулерін тану мақсатында Орталық және Онтүстік Азия аумағын карталауында қолданылады.


Inna N. Sokolova

 


Space-time variations of S-waves attenuation field in earth crust and upper mantle of Central and Southern Asia

 

25.00.10 –Geophysics, geophysical methods of mineral exploration

 

Resume

 

Subject of research.  Attenuation field of short-period S-waves in earth crust and upper mantle.

Purpose of work. Investigation of geodynamical processes connected with migration of juvenile fluids in the region of Central and South Asia on the basis of data analysis on space-time variations of the attenuation field.  

Investigation methods. To investigate the structure of the attenuation field, well-known and some new methods connected with analysis of regular and irregular seismic waves were used.  In particular it contains: a method of attenuation field profiles construction by S-coda envelopes of local events; methods of attenuation field mapping by S- and P-wave amplitude ratio on the records of deep-focus earthquakes, and close quarry blasts, by Lg and Pg wave amplitude ratio; by characteristics of Sn and Lg waves codas.

Main results. This work marks out pairs and groups of connected deep-focus and shallow earthquakes in Central and South Asia.

Data on characteristics of S-wave attenuation field within the regions of three nuclear test sites (Semipalatinsk, Lop Nor and Nevada) were compared. These data showed that continuous intensive series of underground nuclear explosions (UNES) resulted in changing of medium structure until relatively large depth in upper mantle; this could be connected with juvenile fluids rise. Mapping of S-wave attenuation field in the lithosphere of Central Tien-Shan was made using records of deep-focus Hindu Kush earthquakes. A strip of strong attenuation where sources of two largest earthquakes occured within Tien Shan region for the last 25 years was revealed. According to data on heterogeneity of the attenuation field an abnormal zone within Northern Tien Shan related to eastern part of Kyrgyz Ridge and Kochkor depression was contoured.  Time variations of the attenuation field in investigated area and seismicity characteristics were studied. Mid-term prediction of time and place for the Kochkor earthquake of 25.12.2005 г. (М=5.8) almost proved to be correct. 

An abnormal wave train (SL) was revealed in the records of local earthquakes and quarry blasts within Northern Tien Shan region.  It was supposed that this wave train was formed as a result of S-waves reflection from the thin upper mantle layer saturated with fluids.

For the first time by the example of Tien-Shan and Pamir regions it was shown that macroseismic effects of large earthquakes can differ regularly during tens of years in some regions. Data interpretation is connected with migration of juvenile fluids in the upper crust. There is an established fact of regular decrease of helium isotope content (R = 3He/4He parameter) in underground water with distance from epicenters of large earthquakes and from large deep fault zones. This testifies to mantle fluids ascending into the upper crust after strong earthquakes, and also in some large deep fault zones, which are characterized by very high permeability, and their migration in horizontal direction. Migration velocity of fluids in the upper mantle and upper crust was estimated.

Main technological and constructive, operating characteristics.  Research method is connected with analysis of dynamical characteristics of short-period shear waves, most sensitive to a presence of liquid phase. It allows to control migration processes of juvenile fluids in the crust and upper mantle.

Applicability degree.  The method was successfully adopted and is used in IGR NNC RK and IPE RAS to solve the problem connected with monitoring of nuclear explosions and investigation of geodynamical processes in the earth’s crust and upper mantle.

Applicability recommendations or application results of scientific-research work.    Obtained results are recommended to be used in works on seismic zoning of Central Asia, mid-term prediction of large earthquakes, during selection of places for installation the stations of nuclear explosion and earthquake monitoring, while estimation of seismic stations effectiveness concerning identification of different nature events; while mapping Central and South Asia regions for nuclear explosion and earthquake discrimination.   

Field of application. Studying the earth’s crust and upper mantle structure, investigation of geodynamical processes, seismic zoning, mid-term earthquake prediction, identification of UNEs, chemical explosions and earthquakes.   

Economical effectiveness of work. Usage of proposed methods for solving the tasks of seismic hazard and mid-term earthquake prediction will allow to decrease number of victims and economical loss after large earthquakes. 

Expected assumptions about research subject development.  Approaches developed in the work can be used for investigation of space-time variations of attenuation field in the other regions of the world.  

Practical realization. Obtained results are used in works on seismic zoning of Tien Shan and for mapping of Central and South Asia region for discrimination of UNEs and earthquakes.

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


СОКОЛОВА ИННА НИКОЛАЕВНА

 

Пространственно-временные вариации поля поглощения  S-волн  в земной коре и верхней мантии  Центральной и Южной Азии

 

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

 

Формат 64х84 1-16. Бумага офсет №1. Печать RISO

Усл.п.л. 2,5. Тираж 120 экз. Заказ №254

 

Отпечатано в типографии ТОО «ЦКО Сервис»

г.Алматы, ул.Тимирязева 36б

тел: 376-25-40

 

Вы 20387508-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016