Диссертация: Генерация сколов Риделя R и R′ и их связь с цунамигенными землетрясениями

Актуальность работы. В многочисленных экспериментах по воспроизведению обстановки сдвига в одних случаях вначале формируются сколы Риделя двух типов, соответственно, R и R'. Однако по мере дальнейшего сдвигания довольно скоро начинают резко преобладать R-сколы. В других случаях сколы R' не возникают вовсе. В природе сколы R' также встречаются крайне редко. В то же время чередующиеся по времени своего проявления полого падающие и круто падающие сейсмические очаги на материковом склоне островной дуги могут быть трактованы как сколы Риделя, соответственно, R и R'. Эти сколы, в отличие от экспериментальных данных и данных натурных наблюдений, равноправны и формируются в геодинамической обстановке сдвига вдоль полого наклоненной плоскости субдукции, обусловленного поддвигом океанической плиты. Учитывая сказанное выше о решительном преобладании или единственности при экспериментальном сдвиге сколов R, можно предположить, что для равноправного развития сколов R и R' в зонах субдукции требуется некий дополнительный фактор.
Представляется, что после Суматринского землетрясения 2004 г. и Японского землетрясения 2011 г. проблема поиска принципиальных различий между очагами сильнейших землетрясений, сопровождающихся цунами, и очагами столь же сильных землетрясений, но не генерирующими это катастрофическое явление в океане, является актуальной.
Цель работы и основные задачи исследования: 1) обоснование причины резкого преобладания сколов R в различных природных и экспериментальных сдвиговых обстановках; 2) выявление фактора, который обеспечивает равноправное развитие в зонах субдукции сколов R и R', являющихся очагами, соответственно, не-цунамигенных и цунамигенных землетрясений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ литературы по формированию и эволюции сколов Риделя R и R′ в обстановке сдвига.
2. Физическое моделирование формирования и эволюции сколов Риделя R и R′ в обстановке сдвига.
3. Численное моделирование этой эволюции для подтверждения природных и экспериментальных данных о преобладании сколов R в обстановке сдвига.
4. Анализ литературы по местоположению и кинематике сильных цунамигенных и не-цунамигенных землетрясений.
5. Анализ литературы, касающейся современных моделей генезиса цунамигенных землетрясений.
6. Привлечение данных сравнительного анализа: 1) эволюции гравитационного поля; 2) GPS – до и после наступления цунами.
7. Объяснение закономерного чередования цунамигенных и не-цунамигенных землетрясений.
8. Формулировка гипотезы образования цунамигенных землетрясений.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены результаты физического моделирования формирования и эволюции сколов Риделя R и R′ автором и многими другими российскими (Институт земной коры СО РАН, Лаборатория тектонофизики и геотектоники МГУ, Институт физики Земли РАН и др.) и зарубежными исследователями. При постановке экспериментов изучена модель формирования и эволюции сколов Риделя в зоне сдвига, их характеристики и соотношение. Для экспериментов были подобраны эквивалентные материалы со способностью реагировать на нагрузку как пластической, так и разрывной деформацией, безотносительно к их вязкости и прочности. Такими свойствами обладали глина и смесь песка с солидолом.
Также автором с помощью диаграмм Мора было проведено численное моделирование эволюции сколов Риделя в разных условиях – при различной величине литостатического давления и при разных углах скалывания горных пород.
Для подтверждения установленного вероятного фактора, «уравнивающего в правах» сколы R и R′ в зонах субдукции, а именно – тенденции к изостатическому равновесию, были самостоятельно отобраны, систематизированы и проанализированы данные, опубликованные в литературе и интерактивных ресурсах. Они включают в себя сведения как об эволюции сколов Риделя как таковых, так и о не-цунамигенных и цунамигенных землетрясениях (очаги которых трактуются автором как сколы Риделя) в некоторых зонах субдукции, данные GPS-наблюдений, а также данные сравнительного анализа эволюции гравитационного поля до и после цунамигенного землетрясения для объяснения его генезиса.
Объекты исследования. Основным объектом исследования, в качестве примера, является Японская островная дуга, вспомогательными – Курило-Камчатская и Алеутская островные дуги. Также привлечена информация о других зонах субдукции (Андской, Зондской).
Научная новизна работы
Проведенное исследование представляет собой новый подход к проблеме соотношения сколов Риделя R и R’ в различных природных и экспериментальных обстановках сдвига и особенностях этого соотношения в зонах субдукции, обильных на сильные как не-цунамигенные, так и цунамигенные землетрясения, который заключается в следующем:
1. Проведено численное моделирование формирования и эволюции сколов Риделя R и R′ в обстановке сдвига, которое подтвердило природные и экспериментальные (а том числе авторские) данные о резком преобладании сколов R.
2. Предложена гипотеза о том, что цунамигенные землетрясения в зонах субдукции, в которых господствует геодинамическая обстановка поддвига (субгоризонтального сдвига вдоль субгоризонтальной же плоскости), обусловлены, тем не менее, развитием именно субвертикальных мегасколов Риделя R′. В то время как субгоризонтальные сколы R являются очагами хотя и сильных, но не-цунамигенных землетрясений.
3. Рассмотрены данные, свидетельствующие о роли изостатического фактора в формировании очагов цунамигенных землетрясений.
Практическое и теоретическое значение работы. Новый подход к проблеме цунамигенных землетрясений актуален в решении проблемы оценки опасности цунами, прогнозирования этого катастрофического явления и создания систем оповещения, а также для дальнейшего развития представлений о природе и эволюции тектонических и геодинамических процессов в зонах сдвига как вдоль вертикальной, так и вдоль горизонтальной плоскости; частным случае последних являются зоны субдукции.
Защищаемые положения:
1. Подтверждено, посредством физического моделирования с применением различных эквивалентных материалов, что в обстановке горизонтального сдвига как вдоль вертикальной, так и вдоль горизонтальной плоскости, сколы Риделя R′, в отличие от сколов R, развиты слабо или отсутствуют вовсе, т.е. явно неравноправны.
2. Установлена, посредством численного моделирования, причина такого неравноправия при отсутствии влияния силы тяжести (с учетом только литостатического давления) – повышенная скорость вращения сколов R’, в обстановке названного сдвига, по сравнению с почти отсутствующим вращением сколов R в этой обстановке. На глубинах, на которых литостатическое давление превышает половину максимального касательного напряжения, а угол скалывания приближается к 45°, всегда доминируют R-сколы.
3. Геологическим проявлением сколов Риделя R и R′ можно считать пологопадающие и крутопадающие очаги, соответственно, сильнейших не-цунамигенных и цунамигенных землетрясений, характерные для зон субдукции и сформированные в геодинамической обстановке субгоризонтального сдвига вдоль субгоризонтальной плоскости, характерной для таких зон. Эти очаги зафиксированы на глубинах, упомянутых в п. 2.
4. Тот факт, что названные очаги равноправны по частоте встречаемости и чередуются по времени своего проявления, противоречит закономерностям, установленным в пп. 1 и 2, и требует привлечения дополнительного фактора для устранения этого противоречия. В качестве вероятного фактора, «уравнивающего в правах» сколы R и R′ в зонах субдукции, можно рассматривать тенденцию к изостатическому равновесию, нарушенному процессом субдукции.