R’ как возможная причина цунамигенных землетрясений в зонах субдукции

1
Мегасколы Риделя R’
как возможная причина цунамигенных землетрясений в зонах субдукции
М. А. Гончаров, Н. С. Фролова, В.С. Захаров, П. Н. Рожин
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова,
Геологический факультет, г. Москва, Россия
m.a.gonch@mail.ru
Введение. Как известно, сопряженные трещины или разрывы скалывания (в частном случае – сколы
Риделя R и R’ в обстановке сдвига) возникают симметрично относительно оси максимального сжатия
σ3 под углом ≤ 45 к этой оси. В настоящее время, на основе главным образом экспериментальных
данных, укрепилось мнение, что чаще всего в зонах сдвига доминируют сколы R, образующие
небольшой угол с осью такой зоны.
Однако в последнее время появились сведения, свидетельствующие о существенной роли R’-сколов в
зонах субдукции. Отмечены зоны, в которых сильные землетрясения, не сопровождающиеся цунами,
чередуются во времени с сильными цунамигенными землетрясениями [1]. На схеме (рис. 1) показаны
расположение и ориентировка очагов таких землетрясений.
Эта ориентировка такова, что в зоне сдвига, обусловленного
поддвигом океанической плиты, полого падающие
сейсмические очаги могут быть квалифицированы как сколы
Риделя R, а круто падающие очаги – как сколы R’
(см. рис. 1).
Постановка задачи. Итак, в экспериментах почти всегда, за
редким исключением, преобладают сколы R, в природе же
иногда существенна роль сколов R’. В связи с этим
выявление
факторов,
под
влиянием
которых
в
геодинамических обстановках сдвига преобладают в одних
случаях
синтетические
сколы
Риделя
R
(близко-параллельные плоскости сдвига), а в других
Рис.
1
(по
[1]).
Модель
случаях

антитетические
сколы
Риделя
R’
возникновения полого падающих и
(близко-перпендикулярные плоскости сдвига), либо
круто падающих
сейсмических
развиты оба типа сколов, весьма актуально.
очагов (толстые черные отрезки) в
Сдвиговые обстановки в широком смысле этого слова
зоне субдукции. Белые стрелки –
можно подразделить на два типа: горизонтального сдвига
направление движения океанической
вдоль вертикальной плоскости («сдвиговая» обстановка в
плиты, черные стрелки – оси
геологическом смысле этого слова) и горизонтального
напряжения сжатия, односторонние
сдвига вдоль горизонтальной же плоскости («надвигочерные стрелки – смещение крыльев
поддвиговая» обстановка в геологическом смысле). Первая
действующей плоскости в очаге. В
из названных обстановок («сдвиговая») в аспекте развития в
кружках
слева
показаны
в
ней сколов Риделя изучена несравненно лучше, чем вторая.
укрупненном виде смещения в
Такая обстановка многократно моделировалась и, главное,
очагах землетрясений.
она исключает возникновение аномалий силы тяжести и
компенсирующей эти аномалии изостазии. В связи с этим на первом этапе исследований мы
поставили перед собой задачу выяснить различие в эволюции сколов Риделя R и R’ в этой
геодинамической обстановке и его причины.
Сколы Риделя в обстановке горизонтального сдвига вдоль вертикальной плоскости. В
многочисленных экспериментах по воспроизведению сдвиговых зон вначале формируются сколы
обоих типов, но по мере дальнейшего сдвигания довольно скоро начинают резко преобладать
R-сколы. Чаще всего в качестве возможного фактора такого преобладания предполагается явление
вращения этих трещин после их возникновения [2–4]. Однако конкретных количественных расчетов
ни у одного из авторов приведено не было.
Такие расчеты были произведены нами [5]. Мы рассмотрели в рамках простейшей теоретической
(отчасти компьютерной) модели эволюцию сколов Риделя в разных условиях – при различной
величине литостатического давления (этот фактор не изучался экспериментально) и при разных углах
скалывания горных пород. Роль вращения сколов была подтверждена. Оказалось, что на глубинах, на
которых литостатическое давление превышает половину максимального касательного напряжения,
доминируют R-сколы.
2
На меньших же глубинах, в рамках той же теоретической модели, на первых этапах сдвигания
преобладают R’-сколы. И лишь в процессе их дальнейшего вращения, когда они проходят через
ориентировку, перпендикулярную к направлению зоны сдвига, начинают доминировать R-сколы.
Эксперименты подтверждают, что если в начале сдвигания R’-сколы развиты так же хорошо, как и
R-сколы, то при возрастании величины сдвига начинают преобладать R-сколы (рис. 2).
В Лаборатории тектонофизики и геотектоники имени В.В. Белоусова (МГУ) нами был проведен
эксперимент для выявления достоверности сделанных выводов [5]. А именно, изучалось развитие
созданных до опыта сколов R и R` в процессе сдвигания.
Эволюция трех главных параметров сколов предстала в следующем виде. Длина сколов в процессе
нарастающего сдвига изменилась мало. Угол, образуемый ими с направлением сдвига, у сколов R
практически не изменился, в отличие от сколов R’. Раскрытие вначале заметно у сколов R’, но затем
оно резко увеличивается у сколов R.
Сочетание двух последних параметров определяет разную выраженность сколов обоих типов на
различных этапах их эволюции. На 1-м этапе доминируют сколы R’, сохраняя относительную
прямолинейность при более раннем раскрытии. На 2-м этапе они S-образно искривляются (так как
Рис. 2. Выраженность сколов Риделя
при простом сдвиге образца из
влажной глины:
а – мелкие примерно одинаково
развитые сколы R и R’. Малая
величина сдвига. б – отчетливое
преобладание сколов R’ при
небольшом увеличении угла сдвига.
изменение
ориентировки
происходит
лишь
в
сужающейся по мере развития деформации зоне
динамического влияния «разлома в фундаменте»), при своем вращении приближаются к нормали к
простиранию зоны сдвига и прекращают раскрываться. Сколы же R, сохраняя прямолинейность и
увеличивая свое раскрытие, становятся доминирующей линейной текстурой.
Что касается первого параметра – длины сколов, – то отсутствие их существенного удлинения в
процессе деформации ставит под сомнение вообще их возникновение в результате скалывания, как
это обычно принято считать. В наших опытах мы создали их искусственно, взрезая образец.
Естественным образом достаточно длинные сколы мгновенно возникнуть не могут, а их
формирование из более мелких и даже микроскопических сколов невозможно именно по причине их
«неудлинения». Более вероятно формирование сколов Риделя из более мелких трещин отрыва [6] (см.
ниже).
Таким образом, во всех рассмотренных ситуациях (разная величина литостатического давления и
различный угол скалывания) в более благоприятных условиях для развития при постепенно
нарастающей амплитуде сдвигания оказываются R-сколы. Исключение составляет лишь случай с
малым или отсутствующим (как в экспериментах) литостатическим давлением. Здесь при углах
сдвига, не превышающих 15°, должны доминировать R’-сколы. Эта ситуация характерна для
лабораторного моделирования сколов.
Однако в многочисленных опытах, в том числе проведенных нами, такой картины не наблюдается,
разве что имеет место равноправное развитие обоих типов сколов на самых ранних этапах сдвигания
при очень маленьком угле сдвига. Не наблюдается такой картины и в природе в сдвиговых зонах.
Например, в недавно открытых нефтегазоносных структурах типа «пропеллера» в осадочном чехле
Западно-Сибирской плиты главной структурной формой являются R-сколы в виде сбросо-сдвигов [7].
В то же время, как в экспериментах наших предшественников, так и наших собственных,
«естественные» (т.е. возникшие сами собой) сколы R доминируют над сколами R’, в том числе и при
углах сдвигания менее 15°. Однако при этом биссектриса угла между этими сколами в самом начале
их появления, после предварительной пластической деформации сдвигания образца на некоторый
небольшой угол, не составляла теоретическую величину в 45° с направлением сдвига, а оказалась
повернутой в этом направлении. Да и сами сколы R’ при своем появлении образовали с направлением
сдвига угол, превышающий теоретическое значение. А вот «обратный» поворот на величину угла
названного пластического сдвигания, выполненный с помощью компьютера, привел указанную
биссектрису как раз к углу в 45°, а сколы R’ – к теоретическому углу скалывания в 30°.
Полученный результат привел нас к выводу, что сколы Риделя формируются вначале как цепочки
более мелких кулисообразно расположенных трещин отрыва, возникших под действием нормальных
3
напряжений. И лишь в процессе дальнейшего сдвигания трещины отрыва объединяются в единый
скол. Такое представление об образовании сколов Риделя позволяет устранить описанное
противоречие между теоретическими расчетами и данными, полученными путем моделирования на
эквивалентных материалах. Эта версия была уже высказана нами ранее и получила
экспериментальное подтверждение [6].
Проведенные нами опыты показывают, что в такой относительно крупнозернистой среде, как песок,
сколы Риделя образуются именно таким образом (рис. 3). Это хорошо видно невооруженным
Рис. 3. Формирование сколов Риделя из трещин
отрыва при простом сдвиге образца из песка:
а – мелкие трещины отрыва, кулисообразно
расположенные вдоль будущего скола Риделя R.
Малая величина сдвига. б – трещины отрыва
поворачиваются и объединяются в сколы Риделя R
при увеличении угла сдвига.
глазом. В глинистых же породах, где размер частиц составляет сотые и тысячные доли миллиметра,
этот процесс происходит в скрытом (микроскопическом) виде, во время первого, пластического
этапа сдвиговой деформации образца, когда происходит поворот кулисной цепочки трещин отрыва.
И лишь после объединения трещин отрыва в единый скол Риделя этот разрыв становится
макроскопически видимым, но уже повернутым от своего теоретического положения. Этот наш
вывод был подтвержден экспериментами, в которых искусственно созданные цепочки кулисных
трещин отрыва в процессе сдвиговой деформации испытывали вращение и при этом постепенно
превращались путем объединения в сквозные сколы Риделя.
В свете сказанного становится понятным, что сколы R должны преобладать над сколами R’ если и не
с самого начала их макроскопического проявления, то, во всяком случае, при углах сдвига менее 15°
(в противоположность теоретическим расчетам, упомянутым выше). Такая картина и наблюдается
как во всех проведенных нами экспериментах, так и в опытах многочисленных предшественников.
Сколы Риделя в обстановке горизонтального сдвига вдоль горизонтальной плоскости.
Эксперименты показывают, что и в этой обстановке преобладают сколы R [7]. Однако, поскольку
предполагается, что цунамигенные землетрясения обусловлены именно развитием сколов R’ (см. рис.
1), следующим этапом нашего исследования явилось выявление влияния дополнительных факторов.
Одним из таких факторов является сила тяжести, которая в рассмотренной выше обстановке
горизонтального сдвига вдоль вертикальной плоскости вызывала только литостатическое давление. В
интересующем же нас случае сама по себе сила тяжести должна препятствовать формированию
крутопадающих сколов Риделя R’ – взбросов поверхности океанского дна, вызывающих цунами.
Однако одно из проявлений силы тяжести – ее аномалия в зонах субдукции – способна вызвать
противоположный эффект. Субдукция порождает не только «структурную пару» – глубоководный
желоб и островную дугу, но и отрицательную аномалию силы тяжести в области желоба и
положительную аномалию в зоне дуги. Это нарушает изостатическое равновесие. Формирование же
крутого скола – взброса, направленного со стороны желоба [8] (см. также рис. 1), восстанавливает это
равновесие.
Намечается и возможное объяснение закономерного чередования цунамигенных и не-цунамигенных
землетрясений, установленного в [1]. Здесь вероятно влияние того же изостатического фактора, когда
очередной импульс субдукции, стимулирующей формирование пологого скола (см. рис. 1),
одновременно способствует углублению глубоководного желоба и тем самым увеличению
отрицательной аномалии силы тяжести. А формирование крутого скола (см. рис. 1) является ответной
изостатической реакцией.
Не исключено, что открытые В.Н. Вадковским так называемые «сейсмические гвозди»
–
субвертикальные цепочки очагов слабых землетрясений в зонах субдукции [9] – являются цепочками
трещин отрыва, последующее объединение которых в единый скол Риделя R’ вызовет крупную
вертикальную подвижку морского дна и последующее цунами.
Заключение. Проведенное исследование представляет собой новый подход к проблеме сопряженных
сколов Риделя. Его ожидаемые результаты позволят совершенствовать прогноз цунамигенных
землетрясений. Представляется, что после Суматринского землетрясения 2004 г. и Японского
землетрясения 2011 г. проблема поиска принципиальных различий между очагами сильнейших
4
землетрясений, сопровождающихся цунами, и очагами столь же сильных землетрясений, но не
генерирующими это катастрофическое явление в океане, является актуальной [8].
Изложенные результаты характеризуют всего лишь первый этап данного исследования. Задачи
следующего этапа 1. Исследование влияния изостатического фактора на формирование сколов
Риделя в обстановке горизонтального сдвига вдоль горизонтальной же плоскости. 2. Привлечение
данных мониторинга эволюции силы тяжести, соотношения высоты островной дуги с глубиной
желоба и скорости субдуцирующей плиты перед наступлением цунами.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Литература
Рогожин Е.А., Захарова А.И. Сейсмотектоника очаговых зон цунамигенных землетрясений //
Геофизические исследования. 2006. Вып. 6. С. 3–12.
Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука. 1975. 536 с.
Стоянов С. Механизм формирования разрывных зон. М.: Недра. 1977. 144 с.
Ребецкий Ю.Л., Михайлова А.В., Сим Л.А. Структуры разрушения в глубине зон сдвигания.
Результаты тектонофизического моделирования // Проблемы тектонофизики. К сорокалетию
создания М.В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН / Под ред. Ребецкого Ю.Л. М. 2008.
С. 103–140.
Рожин П.Н., Селезенева Н.Н. Различная эволюция сколов Риделя R и R’ в связи с проблемой генезиса
цунамигенных землетрясений // Современная тектонофизика. Методы и результаты. М.: ИФЗ. 2009.
С. 195–203.
Гончаров М.А., Талицкий В.Г. Зарождаются ли «трещины скалывания» путем скалывания? // Вестн.
Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1998. № 3. С. 18–22.
Короновский Н.В., Гогоненков Г.Н., Гончаров М.А., Тимурзиев А.И., Фролова Н.С. Роль сдвига
вдоль горизонтальной плоскости при формировании структур «пропеллерного» типа // Геотектоника.
2009. № 5. С. 5064.
Балакина Л.М., Москвина А.Г. Цунамигенное землетрясение 1 апреля 1946 г. в архипелаге Лисьих
островов (Алеутская островная дуга) // Физика Земли. 2010. № 6. С. 35–48.
Вадковский В.Н.† Субвертикальные скопления гипоцентров землетрясений – сейсмические «гвозди»
// Вестник ОНЗ РАН. 2012. Т. 4. NZ1001, doi:10.2205/2012NZ000110.