Для студентов МГУ им. Ломоносова по предмету ГеологияСамоподобие структур и процессов в литосфере по результатам фрактального и динамического анализаСамоподобие структур и процессов в литосфере по результатам фрактального и динамического анализа
2019-03-132019-03-13СтудИзба
Диссертация: Самоподобие структур и процессов в литосфере по результатам фрактального и динамического анализа
Описание
Актуальность темы
Согласно современным представлениям, литосфера – структурированная,
иерархическая (многоуровневая), самоподобная, грубо дискретная среда
[Садовский, Писаренко, 1991]. Это проявляется как в геолого-
геоморфологических характеристиках, так и в различных геофизических полях,
а также в вещественно-структурных характеристиках среды.
Со структурой неоднородной геологической среды самым тесным
образом соотносится сейсмический процесс. Самоподобные свойства
сейсмического процесса и среды, в которой он протекает, выражаются в
степенно́м характере законов распределения вида:
N = xa, (1)
где x – характеристика объекта (размер, сила, энергия и т. п.), N – количество
объектов, a – показатель, характеризующий степень самоподобия.
Закон такого вида справедлив для распределений блоков и разломов по
размерам, пространственного распределения очагов землетрясений,
распределения землетрясений по магнитудам (закон Гутенберга-Рихтера),
распределения количества афтершоков сильных землетрясений во времени
(закон Омори). Самоподобные свойства сейсмотектонического процесса
проявляются также в динамических характеристиках порождаемых им
временны́х рядов.
В настоящее время в науки о Земле активно внедряются подходы теории
динамических систем, фракталов, катастроф, самоорганизации, синергетики,
радикально изменившие представления о соотношениях упорядоченности и
хаотичности, предсказуемости и непредсказуемости, стационарности и
катастрофичности [Горяинов, Иванюк, 2001; Лукк и др., 1996; Нелинейная
геодинамика, 1994; Писаренко, Родкин, 2007; Fractals and Dynamic…, 1994;
Turcotte, 1997; многие другие].
Опубликовано большое количество работ, посвященных фрактальному и
динамическому анализу в сейсмотектонике, геодинамике, геофизике,
геоморфологии и т. д. В значительной степени в них просто фиксируются
свойства самоподобия для разных объектов и процессов. В то же время на
основании результатов такого анализа можно делать важные заключения о типе
рассмотренных систем, в частности, сейсмотектонических, с точки зрения
регулярности и прогнозируемости их динамики.
Диссертация направлена на решение важной научной проблемы –
определения принципиальных возможностей и ограничений прогноза
состояния и динамики геологических систем.
Цель работы: выявление самоподобных свойств структур литосферы и
процессов, происходящих в ней (сейсмичность, современные движения), на
основании фрактального и динамического анализа и связи их количественных
характеристик с геодинамикой, тектоникой и особенностями сейсмического
режима, а также предложение их возможных механизмов и моделей.
Задачи исследования предполагают рассмотрение и анализ
разномасштабных структур и процессов в литосфере и включают:
Изучение проявлений самоподобия структур литосферы в широком
диапазоне масштабов на основании анализа законов распределения по
размерам и фрактальных характеристик размерности плит, континентов,
блоков, террейнов.
Изучение блочности земной коры и литосферы в целом на разных
масштабных уровнях по данным GPS, выявление блоков и их
относительного движения в областях новейшей тектоники на основании
разработанных методов, рассмотрение их согласованности с
сейсмотектоникой, геофизическими данными и предложенными моделями
блоковой динамики.
Анализ самоподобных характеристик сейсмотектонического процесса,
выражающихся в параметрах степенны́х законов (закона Гутенберга–
Рихтера, закона Омори, фрактальных распределений очагов землетрясений
и разломов) и динамических характеристиках временных рядов
(фрактальная размерность D, показатель Херста H, скейлинговый
спектральный параметр ) сейсмичности, их согласованности и возможных
интерпретаций.
Изучение особенностей и возможных механизмов генерации
субвертикальных кластеров очагов землетрясений (сейсмических «гвоздей»)
на основании анализа их пространственно-временных характеристик.
Изучение мелкомасштабных современных движений земной коры на
основании анализа временны́х рядов смещений GPS, определение
динамических свойств этих рядов и их связи с сейсмотектоническими
особенностями районов расположения пунктов наблюдений и
предлагаемыми моделями блоковой динамики.
Построение новых блоковых моделей сейсмотектонических систем с
типичным законом трения, изучение свойств этих моделей, их применение
для описания разломно-блоковой структуры и взаимодействий в литосфере
с учетом ее реологической и тектонической расслоенности.
Фактический материал: геологические карты и карты террейнов
северного обрамления Тихого океана; карты активных разломов различных
регионов (Евразия, Япония, США); сейсмические каталоги: Национального
центра информации о землетрясениях Геологической службы США (NEIC
PDE); Японского метеорологического агентства (JMA); Южно-
Калифорнийского (SCEDC) и Северо-Калифорнийского (NCEDC) центров
данных по землетрясениям, каталог Камчатского филиала Геофизической
службы РАН; данные по скоростям пунктов GPS в Эгейско-Анатолийском
регионе и Южной Калифорнии, данные по смещениям пунктов GPS в Японии;
по временны́м рядам смещений пунктов GPS. Использованы также база данных
Глобальной программы вулканизма (GVP), данные по магнитным и
гравитационным аномалиям различных регионов.
Методы исследований. Анализ и научное обобщение результатов
теоретических исследований взаимосвязи разломно-блоковой структуры среды,
современных тектонических движений и сейсмического процесса; фрактальный
анализ геолого-геофизических данных; исследование параметров степенны́х
законов распределений объектов по размерам, времени, энергии; анализ
временны́х рядов методами, разработанными в теории динамических систем
(динамический анализ); построение дискретных кинематических моделей по
данным GPS; построение блоковых моделей сейсмотектонических систем;
сопоставление полученных при анализе количественных характеристик с
геолого-геофизической информацией.
Научная новизна
Впервые установлено самоподобие форм и размеров континентальных
структур от суперконтинентов до террейнов, что согласуется с иерархией
литосферы от крупных литосферных плит до мелких блоков земной коры.
Небольшая величина вариации фрактальной размерности террейнов говорит
об их малой деформируемости (жесткости) и о единстве механизмов
объединения и распада.
Разработаны оригинальные методики построения дискретных
кинематических моделей и выделения жестких блоков земной коры по
данным GPS; они применены, с учетом геолого-геофизической
информации, к анализу отдельных регионов в областях молодой тектоники.
На основании этого впервые выявлено сложное блоковое строение
исследуемых регионов на более мелком масштабном уровне.
Установлено на новом материале с применением усовершенствованных
методик, что разломно-блоковая структура литосферы и пространственная
структура распределения эпицентров землетрясений подчиняются
одинаковым соотношениям самоподобия. Соотношение параметров
распределения землетрясений по магнитудам и фрактальной размерности
сетей активных разломов количественно подтверждает согласованные
самоподобные свойства сейсмотектонического процесса.
Выявлено длительное (до года после главного события) пониженное
значение параметра в законе Гутенберга-Рихтера в зонах эпицентров
сильных землетрясений с последующим его повышением, что является
проявлением перераспределения разрушения в афтершоковых процессах от
больших масштабов к меньшим.
Показана роль флюидов как наиболее вероятного механизма генерации
сейсмических «гвоздей», не связанного явно с сильными землетрясениями,
вулканами и тектоническими структурами.
Впервые показана закономерная связь динамических характеристик
временны́х рядов GPS с геотектоническими и геодинамическими
особенностями регионов (сейсмичность и жесткость блоков).
Впервые установлено, что временны́е ряды выделения сейсмической
энергии и ряды GPS относятся к классу фликкер-шума (шума
перемежаемости), что указывает на возможность резких непредсказуемых
изменений режима и возникновения быстрых катастрофических событий.
Показана обоснованность применения теоретических соотношений между
динамическими характеристиками временных рядов (, D и H) при оценке
фрактальных характеристик природных геофизических временных рядов
(ряды GPS, ряды выделения сейсмической энергии).
Предложены новые варианты моделей блоковой динамики, базирующиеся
на типичных законах трения, которые порождают детерминированный хаос,
катастрофы и степенны́е распределения характеристик в
сейсмотектонических системах. Показано, что разломно-блоковая структура
литосферы с учетом ее реологической расслоенности должна
рассматриваться как динамическая характеристика.
Согласно современным представлениям, литосфера – структурированная,
иерархическая (многоуровневая), самоподобная, грубо дискретная среда
[Садовский, Писаренко, 1991]. Это проявляется как в геолого-
геоморфологических характеристиках, так и в различных геофизических полях,
а также в вещественно-структурных характеристиках среды.
Со структурой неоднородной геологической среды самым тесным
образом соотносится сейсмический процесс. Самоподобные свойства
сейсмического процесса и среды, в которой он протекает, выражаются в
степенно́м характере законов распределения вида:
N = xa, (1)
где x – характеристика объекта (размер, сила, энергия и т. п.), N – количество
объектов, a – показатель, характеризующий степень самоподобия.
Закон такого вида справедлив для распределений блоков и разломов по
размерам, пространственного распределения очагов землетрясений,
распределения землетрясений по магнитудам (закон Гутенберга-Рихтера),
распределения количества афтершоков сильных землетрясений во времени
(закон Омори). Самоподобные свойства сейсмотектонического процесса
проявляются также в динамических характеристиках порождаемых им
временны́х рядов.
В настоящее время в науки о Земле активно внедряются подходы теории
динамических систем, фракталов, катастроф, самоорганизации, синергетики,
радикально изменившие представления о соотношениях упорядоченности и
хаотичности, предсказуемости и непредсказуемости, стационарности и
катастрофичности [Горяинов, Иванюк, 2001; Лукк и др., 1996; Нелинейная
геодинамика, 1994; Писаренко, Родкин, 2007; Fractals and Dynamic…, 1994;
Turcotte, 1997; многие другие].
Опубликовано большое количество работ, посвященных фрактальному и
динамическому анализу в сейсмотектонике, геодинамике, геофизике,
геоморфологии и т. д. В значительной степени в них просто фиксируются
свойства самоподобия для разных объектов и процессов. В то же время на
основании результатов такого анализа можно делать важные заключения о типе
рассмотренных систем, в частности, сейсмотектонических, с точки зрения
регулярности и прогнозируемости их динамики.
Диссертация направлена на решение важной научной проблемы –
определения принципиальных возможностей и ограничений прогноза
состояния и динамики геологических систем.
Цель работы: выявление самоподобных свойств структур литосферы и
процессов, происходящих в ней (сейсмичность, современные движения), на
основании фрактального и динамического анализа и связи их количественных
характеристик с геодинамикой, тектоникой и особенностями сейсмического
режима, а также предложение их возможных механизмов и моделей.
Задачи исследования предполагают рассмотрение и анализ
разномасштабных структур и процессов в литосфере и включают:
Изучение проявлений самоподобия структур литосферы в широком
диапазоне масштабов на основании анализа законов распределения по
размерам и фрактальных характеристик размерности плит, континентов,
блоков, террейнов.
Изучение блочности земной коры и литосферы в целом на разных
масштабных уровнях по данным GPS, выявление блоков и их
относительного движения в областях новейшей тектоники на основании
разработанных методов, рассмотрение их согласованности с
сейсмотектоникой, геофизическими данными и предложенными моделями
блоковой динамики.
Анализ самоподобных характеристик сейсмотектонического процесса,
выражающихся в параметрах степенны́х законов (закона Гутенберга–
Рихтера, закона Омори, фрактальных распределений очагов землетрясений
и разломов) и динамических характеристиках временных рядов
(фрактальная размерность D, показатель Херста H, скейлинговый
спектральный параметр ) сейсмичности, их согласованности и возможных
интерпретаций.
Изучение особенностей и возможных механизмов генерации
субвертикальных кластеров очагов землетрясений (сейсмических «гвоздей»)
на основании анализа их пространственно-временных характеристик.
Изучение мелкомасштабных современных движений земной коры на
основании анализа временны́х рядов смещений GPS, определение
динамических свойств этих рядов и их связи с сейсмотектоническими
особенностями районов расположения пунктов наблюдений и
предлагаемыми моделями блоковой динамики.
Построение новых блоковых моделей сейсмотектонических систем с
типичным законом трения, изучение свойств этих моделей, их применение
для описания разломно-блоковой структуры и взаимодействий в литосфере
с учетом ее реологической и тектонической расслоенности.
Фактический материал: геологические карты и карты террейнов
северного обрамления Тихого океана; карты активных разломов различных
регионов (Евразия, Япония, США); сейсмические каталоги: Национального
центра информации о землетрясениях Геологической службы США (NEIC
PDE); Японского метеорологического агентства (JMA); Южно-
Калифорнийского (SCEDC) и Северо-Калифорнийского (NCEDC) центров
данных по землетрясениям, каталог Камчатского филиала Геофизической
службы РАН; данные по скоростям пунктов GPS в Эгейско-Анатолийском
регионе и Южной Калифорнии, данные по смещениям пунктов GPS в Японии;
по временны́м рядам смещений пунктов GPS. Использованы также база данных
Глобальной программы вулканизма (GVP), данные по магнитным и
гравитационным аномалиям различных регионов.
Методы исследований. Анализ и научное обобщение результатов
теоретических исследований взаимосвязи разломно-блоковой структуры среды,
современных тектонических движений и сейсмического процесса; фрактальный
анализ геолого-геофизических данных; исследование параметров степенны́х
законов распределений объектов по размерам, времени, энергии; анализ
временны́х рядов методами, разработанными в теории динамических систем
(динамический анализ); построение дискретных кинематических моделей по
данным GPS; построение блоковых моделей сейсмотектонических систем;
сопоставление полученных при анализе количественных характеристик с
геолого-геофизической информацией.
Научная новизна
Впервые установлено самоподобие форм и размеров континентальных
структур от суперконтинентов до террейнов, что согласуется с иерархией
литосферы от крупных литосферных плит до мелких блоков земной коры.
Небольшая величина вариации фрактальной размерности террейнов говорит
об их малой деформируемости (жесткости) и о единстве механизмов
объединения и распада.
Разработаны оригинальные методики построения дискретных
кинематических моделей и выделения жестких блоков земной коры по
данным GPS; они применены, с учетом геолого-геофизической
информации, к анализу отдельных регионов в областях молодой тектоники.
На основании этого впервые выявлено сложное блоковое строение
исследуемых регионов на более мелком масштабном уровне.
Установлено на новом материале с применением усовершенствованных
методик, что разломно-блоковая структура литосферы и пространственная
структура распределения эпицентров землетрясений подчиняются
одинаковым соотношениям самоподобия. Соотношение параметров
распределения землетрясений по магнитудам и фрактальной размерности
сетей активных разломов количественно подтверждает согласованные
самоподобные свойства сейсмотектонического процесса.
Выявлено длительное (до года после главного события) пониженное
значение параметра в законе Гутенберга-Рихтера в зонах эпицентров
сильных землетрясений с последующим его повышением, что является
проявлением перераспределения разрушения в афтершоковых процессах от
больших масштабов к меньшим.
Показана роль флюидов как наиболее вероятного механизма генерации
сейсмических «гвоздей», не связанного явно с сильными землетрясениями,
вулканами и тектоническими структурами.
Впервые показана закономерная связь динамических характеристик
временны́х рядов GPS с геотектоническими и геодинамическими
особенностями регионов (сейсмичность и жесткость блоков).
Впервые установлено, что временны́е ряды выделения сейсмической
энергии и ряды GPS относятся к классу фликкер-шума (шума
перемежаемости), что указывает на возможность резких непредсказуемых
изменений режима и возникновения быстрых катастрофических событий.
Показана обоснованность применения теоретических соотношений между
динамическими характеристиками временных рядов (, D и H) при оценке
фрактальных характеристик природных геофизических временных рядов
(ряды GPS, ряды выделения сейсмической энергии).
Предложены новые варианты моделей блоковой динамики, базирующиеся
на типичных законах трения, которые порождают детерминированный хаос,
катастрофы и степенны́е распределения характеристик в
сейсмотектонических системах. Показано, что разломно-блоковая структура
литосферы с учетом ее реологической расслоенности должна
рассматриваться как динамическая характеристика.
Характеристики диссертации
Тип
Предмет
Учебное заведение
Семестр
Просмотров
152
Покупок
0
Размер
9,14 Mb
Список файлов
Хочешь зарабатывать на СтудИзбе больше 10к рублей в месяц? Научу бесплатно!
Начать зарабатывать
Начать зарабатывать