Структурирование геофизической среды

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

СТРУКТУРИРОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Доктор физ.-мат. наук В.М. Цветков (ИДГ РАН)
Доктор физ.-мат. наук И.А.Сизов (РФФИ)
М.М. Кочегарова (РФФИ)

- Изучение блочных структур

- Механизмы формирования и преобразования структур
- Влияние блочности на геофизические и геодинамические эффекты
- Прикладные аспекты

Среди множества проблем в науках о Земле на одном из первых мест стоят проблемы структуры. Сам термин "структура" включает в себя множество понятий, связанных с описанием строения геофизической среды. Мы ограничимся преимущественно вопросами блочной структуры, в которой нарушения сплошности являются главными и наиболее контрастными разделительными элементами твердой среды, встречающимися на всех масштабных уровнях (от микротрещин до разломов).

Изучение блочных структур

Исследования блочных структур, поддержанные в проектах РФФИ, весьма разнообразны и охватывают как океаническую, так и континентальную части коры.

Среди исследований, посвященных изучению блочных структур, работы С.И.Шермана с сотрудниками выделяются глубиной проработки проблемы и глобальностью масштаба. Разломообразование в литосфере в зонах сжатия исследовалось в проекте 94-05-16103 (рук. С.И.Шерман). Установлено, что разрушение литосферы при тектоническом сжатии происходит существенно медленнее, чем при растяжении и требует больших затрат энергии. Выявлены различия в тектонофизических условиях формирования надвигов и взбросов, с одной стороны, и сбросов и сдвигов, с другой. Дальнейшее развитие эти исследования получили в проекте 95-05-14211 (рук С.И.Шерман) для всех типов разрушения - сжатием, растяжением и сдвигом. Составлена принципиально новая схема деструктивных зон литосферы (ДЗЛ) земного шара, основанная на этих типах разрушения. Показано их распространение, выделены типы и степень деструкции. Основу ДЗЛ образуют разломы и разломно-блоковые структуры. Система блоков литосферы образует дискретный иерархический ряд с определенными модами преимущественных размеров, которые различны в регионах с разными геодинамическими режимами. С помощью математического моделирования разработан алгоритм расчета глубин проникновения разломов, развивающихся в различных геологических обстановках. На примере Байкальской рифтовой зоны показано, что разнопорядковые блоки земной коры характеризуются закономерно изменяющимися мощностями и соответственно разными уровнями глубин проникновения деструктивного процесса. На основе фрактального анализа сопоставлены пространственные структуры разломной сети (более 3000 разломов) и эпицентрального поля (более 60000 событий) землетрясений для Байкальской рифтовой зоны. Сделан вывод о сбалансированности разломообразования и сейсмичности в целом по рифтовой зоне и о несбалансированности процессов на ее флангах. Сбалансированность или несбалансированность деструктивного процесса и сейсмичности является дополнительным фактором долгосрочного прогноза процессов деструкции и сейсмичности. По результатам выполненных исследований авторским коллективом, возглавляемым С.И.Шерманом, написана 3-томная монография "Разломообразование в литосфере", обобщающая собственные исследования и литературную информацию.

Внутренняя структура и поля напряжений в разломных зонах земной коры исследовались в проекте 96-05-64399 (рук. К.Ж.Семинский) на трех природных полигонах, находящихся в условиях различных напряженных состояний - растяжения, сжатия или сдвига. Для каждого из полигонов получена серия структурных карт (разломных зон, полей напряжений, плотности трещиноватости, направлений тектонического транспорта, блоковой делимости), комплексный анализ которых позволил сделать заключение о наиболее значимых чертах процесса деструкции и выделить эталонные разломные зоны сжатия, растяжения или сдвига. Анализ эталонных объектов дал информацию о внутреннем строении природных разломов, а также о стадиях развития структур - ранняя, поздняя, дизъюнктивная, стадия полного разрушения.

Карты современной блоковой структуры земной коры Русской равнины, Западного Прикаспия и Предкавказья, составленные методом морфоструктурного районирования по формализованным признакам и сопоставленные с серией карт природных компонентов, получены на основании исследований пространственной организации географической оболочки Земли (проект 93-05-08897, рук. Е.А.Ранцман). Выявлена связь положения природных зон, подзон и ландшафтных провинций с элементами современной блоковой структуры земной коры. Установлена зависимость современных динамических проявлений (землетрясений) природных процессов в морфоструктурных узлах от активизации блочных структур.

Традиционно важным направлением для геологии и геофизики являются исследования океанической коры, также широко представленные в проектах РФФИ. Здесь получена качественно новая информация о состоянии океанической коры, ее структурных особенностях в Индо-Атлантическом и Тихоокеанском сегментах, а также о тенденциях структурных изменений.

Сравнительные исследования в области тектоники, геодинамики, магматизма и металлогенеза Атлантического и Индийского океанов, выполненные в проекте 95-05-14070 (рук. Ю.М.Пущаровский),позволили обобщить многочисленные данные по разломным зонам, полученные в результате многолетних экспедиционных работ. Анализ зон поперечных разломов и спредингового хребта выявил нерегулярность и изменчивость их геодинамических полей. Разломная тектоника определяется воздействием нескольких факторов: широтных стрессов, связанных с процессом спрединга, субмеридиональных силовых полей, вращением Земли, воздействием внеземных факторов. Влияние оказывают также состав и физические свойства глубинного материала. Сравнительный тектонический и геодинамический анализ Атлантического и Индийского океанов показал, что эти океаны весьма различны по строению, истории структурного развития и геодинамике. Структурный план Атлантики на большем ее протяжении, благодаря центральному положению срединного хребта, примерно симметричен. В Индийском океане он рассогласован. Закономерности распространения и объемов железо-марганцевых отложений и геоисторический подход позволили выдвинуть гипотезу об обособлении на Земле по особенностям Mn-рудогенеза в океанах двух сегментов: Индо-Атлантического и Индо-Тихоокеанского. Колоссальные скопления марганца в Тихом океане связаны с огромной длительностью его существования (более 1 млрд. лет), тогда как история Атлантики насчитывает лишь 170 млн. лет. Дальнейшее изучение этих океанов было продолжено и развито в проекте 96-05-64758 (рук. А.А.Моссаковский) в свете новейших историко-геологических, структурных, сейсмотомографических и изотопно-геохимических данных. Показано, что важнейшим фактором, определяющим различия тектоносферы в этих сегментах Земли, являются характер, распределение и размеры неоднородностей в подстилающей их мантии. Установлен полный субширотный латеральный ряд современных микроплитных систем, развитых вкрест простирания области сочленения Тихоокеанского и Индо-Атлантического сегментов между Евразией и Австралией, с одной стороны, и Тихим океаном, с другой. В дополнение к двум крайним членам этого ряда ( Восточному, собственно Тихоокеанскому, и Западному, Индонезийско-Малазийскому, установленным ранее) выделен Центральный тип микроплитных систем, объединяющий Филиппинскую и Тонганскую микроплитные системы. Результаты исследований, выполненных в двух предыдущих проектах, позволили авторам сделать вывод о существовании очень древней глобальной тектонической асимметрии Земли в виде Тихоокеанского и Индо-Атлантического сегментов, возможно являющейся следствием первичной неоднородности в строении Земли.

Исследование внутриплитной деформации индоокеанской литосферы позволило установить (95-05-14800, рук. О.В.Левченко) зависимость морфологии внутриплитных тектонических структур от соотношения ориентировки вектора сжатия и древних трансформных разломов. Предположен импульсный характер внутриплитной деформации, начавшейся, возможно, уже в среднем эоцене. Высказана гипотеза о косом спрединге на востоке Индийского океана, позволяющая объяснить природу широко развитых в регионе разломов северо-восточного простирания. Анализ данных сейсмической томографии Земли и эволюции зон субдукции на активной окраине Тетиса последних 180 млн. лет позволил авторам заключить, что рассеянная внутриплитная деформация в центре Индийского океана, вероятно, не завершится формированием новой зоны субдукции.

Ряд проектов посвящен исследованию трансформных разломов, широко распространенных в земной коре. Общая схема сегментации Срединно-Атлантического хребта и ряды блоков разного порядка с характерным строением рельефа установлены на основании анализа статистических данных о рельефе дна (96-05-64191, рук. В.В.Фроль). Сравнительный анализ глубинного строения и потенциальных полей коры в пределах обширной площади Срединно-Атлантического хребта (0-30 град. с. ш.) показал (95-05-14789, рук. В.Г.Буданов), что соседние субширотные структуры, которые обычно относят к одному - трансформному - классу (Вима, Вернадского, Романш-Чейн и т.д.), похожие по рельефу дна, на карте гравитационного поля в редукции Буге выглядят различно. Установлено, что, по крайней мере, для изученных зон, трансформный механизм является доказанным.

Типизация трансформных разломов и их мелкомасштабных аналогов, учитывающая динамические, геометрические характеристики контролирующих их активных зон и особенности строения и эволюции самих трансформных структур, выполненная в проекте 96-05-65521 (рук. А.В.Тевелев), позволила предложить новый подход к описанию кинематики трансформ, в котором их кинематическое поведение определяется с помощью таких параметров, как размерная устойчивость и пространственная стационарность. Концепция трансформного разломообразования использована для структурного анализа разномасштабных и разнородных геологических объектов, взаимосвязанных со сдвиговыми структурами. Геоморфология и тектоника фланговых частей трансформных разломов исследована в проекте 93-05-09745 (рук. А.О.Мазарович).

Исследование тектонического строения и сейсмического режима Охотского моря и его обрамления, выполненное в проекте 96-05-64209 (рук. Н.А.Богданов), показало, что континентальный мост, возникший между Евразийской и Северо-Американской плитой в перми, не был разрушен, а Лавразия как единая плита существует последние 200 млн. лет.

Структуры латерального выжимания в Альпийско-Гималайском коллизионном поясе и их поведение в процессе внедрения в кору Евразии гондванских Адриатического, Аравийского и Индостанского микроконтинентов-инденторов изучены в проекте 96-05-78124 (монография, М.Л.Копп). Анализ структурных рисунков позволил установить различные режимы перемещений и деформирования для отдельных элементов структуры или их комплексов. Отмечается, что латеральное выжимание может быть причиной миграции углеводородов.

Изучение пространственно-временных закономерностей делимости земной коры на разных масштабных уровнях в регионах Восточной Европы и Центральной Азии, выполненное в научном проекте 96-05-65212 (рук. Ш.А.Мухамедиев) и монографии "Тектоническая трешиноватость горных пород и палеонапряжения в сейсмоактивных и нефтегазоносных регионах Земли" (96-05-78139, рук. Т.П.Белоусов), использовано для реконструкции палеонапряжений, сейсмичности и периодов геодинамической активизации. В проведенных построениях предполагалось, что рисунок структуры разрушения (при известном времени ее формирования) несет неискаженную информацию о палеонапряжениях соответствующего возраста, и принималась преобладающая роль вертикальных движений.

В некоторых проектах проведен анализ древних структур с целью реконструкции тектоники и геодинамики земной коры в предшествующие эпохи. Исследованию тектонического развития Тихоокеанского и Индо-Атлантического сегментов Земли посвящен проект 93-05-08934 (рук. А.А.Моссаковский). Установлены принципиально различные тенденции тектонического развития этих регионов. Для Тихоокеанского сегмента характерно консервативное развитие в течении всего фанерозоя с периодическим образованием периокеанических аккреционных систем. Главная тенденция тектонического развития Индо-Атлантического сегмента - деструкция Гондваны, перераспределение ее фрагментов и формирование коллизионно-складчатых сооружений.

Подтверждение проявлений тектоники литосферных плит в архее получено на основании исследования (94-05-16907, рук. Ч.Б.Борукаев) широко распространенных в архее аккреционных комплексов (показателей действия механизмов тектоники литосферных плит), представляющих собой нагромождение тектонических чешуй и блоков, возникших в различных, первоначально изолированных друг от друга геодинамических обстановках. Сравнительная тектоника и геодинамика коллизионных систем докембрия и фанерозоя некоторых регионов Евразийского континента исследовалась в проекте 96-05-64190 (рук. В.С.Федоровский). В западном Прибайкалье изучены тектонические композиции коллизионного класса, которые рассматриваются как надрегиональные, независимые от возраста и эталонные для коллизионной геодинамики в целом. Здесь установлены раннепалеозойские коллизионные системы типа дуга-террейн и террейн-континент. В восточном Средиземноморье выполнены исследования по реконструкции процессов формирования и распада суперконтинента фанерозойской Пангеи.

В приведенном выше кратком обзоре некоторые проекты могут показаться разрозненными и не связанными друг с другом. В действительности это является отражением неоднородности земной коры и большого разнообразия ее структур.

Механизмы формирования и преобразования структур

Блочная структура возникает в результате разрушения при деформировании твердой среды в процессе естественной и техногенной эволюции. Механизмы формирования блочных структур на разных масштабных уровнях могут существенно отличаться и определяться не только напряжениями и деформациями, но и характером преобладающего типа движения. Поэтому в проектах, связанных с изучением блочных структур, представлены различные идейные подходы к проблеме и широкий масштабный диапазон.

Качественно новый подход к проблеме изучения и моделирования глобальных двухслойных структур, характерных для земной коры и верхней мантии, предложен в проекте 96-05-65012 (рук. А.Н.Ромашов). Авторский коллектив разрабатывает геотектоническую концепцию, в соответствии с которой Земля представляется в виде сферы, внутренний объем которой разогревается и расширяется, а внешняя оболочка, охлаждаясь и сжимаясь, сдерживает это расширение, подвергаясь соответствующему деформированию, разрушению и структурированию. Согласно указанной концепции, основные процессы и структуры во внешних геосферах Земли должны определяться поведением сферической оболочки при ее деформировании. Авторским коллективом разработана лабораторная установка, на которой проведены модельные исследования механизмов формирования блочных структур в масштабах литосферы на основе двухслойной модели, имитирующей деформирование и разрушение хрупкой коры, лежащей на вязкой астеносфере. Установка позволяет проводить физическое моделирование структур сжатия и растяжения, характерных для земной коры. Предложена гипотеза о природе глобальной асимметрии расположения на Земле континентов и океанов, основанная на предположении о неравномерном расширении внешних геооболочек и частичной потере их устойчивости. Потенциальные возможности модели могут быть существенно расширены за счет введения горизонтальных перемещений во внешние геосферы.

Новые взгляды на тенденции изменения глобальной тектонической структуры южного полушария возникли в связи с последними исследованиями тектоники и геодинамики спрединговых хребтов южной Атлантики (97-05-64737, рук. Ю.М.Пущаровский). Прогнозируется, что смыкание Американо-Антарктического и Африкано-Антарктического хребтов в районе острова Буве приведет к созданию новой единой Американо-Африканской спрединговой системы. Последующее развитие этой системы может завершиться возникновением глобального линеамента, соединяющего Тихий и Индийский океаны и, в итоге, окружающего Антарктиду единым кольцом.

Потеря прочности континентальной литосферы и образование мобильных поясов, рассмотренные в проекте 96-05-65490 (рук. Е.В.Артюшков), основаны на гипотезе об инфильтрации водосодержащего флюида из астеносферы. В результате проявления эффекта Ребиндера литосфера теряет прочность и возникает возможность последующего сильного сжатия континентальной коры в складчатый пояс.

Для изучения механизмов тектогенеза в проекте 94-05-17059 (рук. В.Г.Талицкий) обоснована целесообразность моделирования реальной геологической среды неоднородной средой с исходной иерархической структурой, включающей ряд структурных уровней неоднородностей ее организации вплоть до блоков. В рамках такой модели разные уровни начальной структурной организации среды отвечают за формирование соответствующих деформационных структурных форм. С наличием структурных неоднородностей связана концентрация напряжений, а релаксация этих концентраций напряжений механизмами пластичности или разрушения ведет к структурным перестройкам, к выработке новообразованных структурных сочетаний. При релаксации концентраций напряжений одного из структурных уровней осуществляется переход деформации на другой структурный уровень. Необратимые деформационные процессы в концентраторах реализуются как механическими, так и физико-химическими способами и приводят к изменению соответствующих свойств среды в масштабах концентраторов.

Ряд проектов посвящен исследованию проявлений сдвига в земной коре. Сдвиг присутствует в твердом теле при всех видах напряженного состояния, кроме чисто гидростатического. Поэтому сдвиговые процессы играют важную роль в формировании геотектоники на всех масштабных уровнях. Новые представления о механизмах возникновения и преобразования блочных структур при сдвиговом деформировании первоначально сплошного материала, находящегося в условиях всестороннего неравномерного сжатия, получены в проекте 94-05-16555 (рук. В.М.Цветков). В работе исследован процесс дробления (т.е. образования множества трещин) образца в условиях стесненного деформирования в толстостенной свинцовой оболочке. Показано, что существуют две стадии дробления: первичное, соответствующее достижению предела прочности, и вторичное, связанное с запредельным деформированием разрушенной среды. Установлено, что каждой стадии дробления соответствует свое статистическое распределение кусков по размеру. Для первичного дробления - это распределение Вейбулла, для вторичного - логнормальное распределение, которое устанавливается в асимптотике. Обнаруженное соответствие стадии дробления и статистического распределения, описывающего гранулометрический состав разрушенной среды, в каждом случае является следствием идентичности физических процессов, протекающих на данной стадии разрушения, и физических предпосылок, заложенных в основу соответствующего распределения. Причем такое соответствие реализуется как в статических, так и в динамических экспериментах по разрушению. Исследованные в данных экспериментах физические явления характерны для процессов, масштаб которых определяется зонами всестороннего сжатия, преобладающими в земной коре, и создают представления о механизмах преобразования блочных структур в разломных зонах интенсивных сдвиговых деформаций. На основании модели среды с неоднородностями, разрабатываемой авторским коллективом, теоретически рассмотрена задача о медленном деформировании твердого тела со скоростями, наблюдаемыми при естественных геофизических процессах. Предложены скоростные критерии, разделяющие две качественно различные области деформирования: хрупкого разрушения и ползучести.

Роль сдвиговой тектоники в структуре литосфер Земли и планет земной группы на разных масштабных уровнях, в основном на примере Европы, Азии и Антарктиды, рассмотрена в коллективной монографии, изданной по проекту 95-05-30712 (рук. П.С.Воронов). Освещен широкий круг проблем, имеющих отношение к сдвиговой тектонике: характеристики разрушения; связи сдвигов с месторождениями полезных ископаемых и аномалиями физических полей планеты; региональное и глобальное проявления сдвигов. Отмечается существенное влияние планетарных ротационных сил на формирование сдвиговых структур, однако механизм действия этих сил не рассмотрен.

Две последующих работы связаны с изучением локализации разрушения в виде макроразрыва и потерей устойчивости. Закономерности формирования очага разрушения горных пород как физической основы прогноза сейсмических явлений исследованы в проекте 94-05-17278 (рук. В.С.Куксенко) на основе кинетических представлений о прочности твердых тел. Проведенные эксперименты по разрушению образцов в лабораторных условиях позволили выявить закономерности формирования очага разрушения и развития макроразрыва. Установлено, что макроразрыв реализуется в виде последовательного разрушения пространственно-соседних зон накопления повреждений. Эти исследования были продолжены в проекте 96-05-64585 с целью разработки иерархической модели разрушения гетерогенного материала, имеющего многоуровневую блочную структуру, в которой блоки отличаются друг от друга по прочности, а разрушение горных пород рассматривается как многоранговый процесс. Показано, что формирование очагов на различных масштабных уровнях происходит подобным образом.

Энергетическая модель континуального разрушения геоматериалов, разработанная в проекте 93-05-08247 (рук. Л.В.Никитин), позволила установить, что в условиях стесненного деформирования возможны только локализованные формы потери устойчивости. Рассмотрено медленное нагружение разупрочняющегося геоматериала, при котором в результате потери устойчивости квазистатический процесс переходит в динамический с образованием ударных волн. Эти исследования были продолжены в проекте 96-05-64347, где предложена и изучена энергетическая модель разрушения начально-пористых геоматериалов, отражающая их упругие и прочностные свойства. В рамках предложенной модели установлена возможность появления внутренней "неустойчивости" материала и изучены формы ее возможного проявления.

Тектонические и геофизические процессы в значительной степени определяются динамикой движений земной коры. Поэтому необходимо хотя бы кратко остановиться на тех физических процессах, которые формируют эти движения. Таких процессов глобального характера два: конвективные и плюм течения со стороны мантии и приливное воздействие на Землю с внешней стороны.

Исследования конвективных течений в проектах РФФИ присутствуют достаточно представительно. Среди первых работ по теоретическому и экспериментальному моделированию глубинной геодинамики, поддержанных РФФИ, был проект 93-05-14021 (рук. Н.Л.Добрецов), в котором изучена структура двухслойной конвекции, а также экспериментально найдена граница возникновения турбулентного режима конвекции в горизонтальном слое, подогреваемом снизу. Оценены энергетические, временные и пространственные параметры тепловых плюмов и горячих точек Земли. Построена математическая модель коллизии в зонах субдукции и найдены условия возникновения коллизионно-субдукционнных комплексов, как следствие существенной нестационарности. Продолжение этих исследований было выполнено в проекте 96-05-66049 (рук. Н.Л.Добрецов) с целью выяснения режимов течения в нижней мантии. Показано, что режим нижнемантийных течений - нестационарный, и относится к области перехода к турбулентному режиму течения или к развитому турбулентному режиму. Найдены соотношения между временными и пространственными масштабами. Предложен метод моделирования влияния зон субдукции на структуру нижнемантийной конвекции.

Новые представления о глобальной динамике Земли, обобщающие и дополняющие концепцию тектоники литосферных плит, выдвинуты и обоснованы в проекте 96-05-66069 (рук. В.П.Трубицин) в результате исследований глобальной трехмерной геодинамической модели Земли и механизмов формирования и преобразования мантийных структур и крупнейших структур земной коры. Земля в этой модели сравнивается с тепловой машиной, в которой мантия играет роль теплового котла, океанические плиты - роль подвижных деталей, а континенты - роль плавающих клапанов типа регуляторов Уатта. Показано, что плавающие на вязкой мантии континенты затягиваются к местам нисходящих холодных потоков (зонам субдукции). Однако в этом процессе континенты не остаются пассивными. Благодаря большой толщине, континенты тормозят выход тепла из мантии, которая начинает прогреваться под ними. В результате под континентом возникает новый восходящий поток. Конвекция оказывается нестационарной, в мантии постоянно возникают и перемещаются мелкие конвективные потоки. Таким образом, континенты постоянно дрейфуют по поверхности Земли, вызывая перестройку мантийных течений под собой и, как результат, формируя структуры рельефа. Рассмотрены различные случаи формирования континентальных структур в коре, характерные для Атлантического и Тихоокеанского регионов.

Изучение роли астеносферы в процессе формирования крупномасштабных тектонических структур в области континентальной коллизии, проведенное в проектах 93-05-08444 и 96-05-64548 (рук. В.О.Михайлов), показало, что по мере нарушения механического и термического равновесия в системе литосфера - астеносфера - верхняя мантия, в астеносфере развивается маломасштабная конвекция, поверхностным проявлением которой является рост горного сооружения.

Следует отметить в качестве достижения новую методику экспериментального моделирования структуры конвективного движения вещества в глубинных областях Земли при наличии объемных источников энерговыделения, разработанную в проекте 96-05-64777 (рук. Ю.И.Зецер). Используя электромагнитное СВЧ излучение в качестве источника энергии, авторы получили на модельной среде течения в виде свободной тепловой конвекции с основными безразмерными параметрами, близкими к предполагаемым для мантии Земли.

Новая информация о структуре ядра получена в проекте 96-05-64314 (рук. В.В.Адушкин). На основании обработки и анализа амплитудно-временных параметров распространения сейсмических волн подземных ядерных взрывов, проведенных на Семипалатинском полигоне, установлено существование переходной зоны в основании жидкого ядра в виде высокоскоростного слоя толщиной 3 км с плотностью 12,1 г/см3, скоростью продольных волн 12,0 км/с и скачком плотности 0,6 г/см3. Имеющаяся сейсмическая информация предоставляет возможность для изучения эффектов, связанных с дифференциальным вращением внутреннего ядра (относительно внешних геосфер), скорость которого в 1,1 град/год была определена американскими учеными.

Если исследования по влиянию геодинамических течений в мантии на литосферу присутствуют в проектах РФФИ достаточно представительно и на высоком уровне, то работ, связанных с изучением приливных возмущений, практически нет. Единственное исключение составляет монография Ю.Н.Авсюка "Приливные силы и природные процессы" (95-05-30518), в которой изложены современные теоретические представления о приливных возмущениях, а также гипотезы и некоторые факты о сейсмическом и тектоническом последствиях приливного воздействия.

Совершенно новый взгляд на одну из возможных причин возникновения горизонтальных перемещений в земной коре высказал Ф.А.Летников (96-05-64744). В связи с различием в плотностях океанической и континентальной литосфер гравитация на их вертикальной границе создает постоянно действующую силу, направленную в сторону континентальной плиты.

Влияние блочности на геофизические и геодинамические эффекты

Блочная структура заметно меняет свойства среды и оказывает существенное влияние на протекание многих процессов: геодинамических, сейсмических, фильтрационных, рудообразующих и др. Особенно четко прослеживается влияние блочной структуры земной коры на распределение землетрясений: локализация большинства интенсивных землетрясений (сосредоточенных в Альпийско-Гималайском и Американском сейсмическом поясах) коррелирует с границами крупнейших геоблоков (литосферных плит), находящихся в режиме встречного движения. В противоположность этому, в зонах спрединга, где среда находится в состоянии растяжения, интенсивность и количество землетрясений значительно ниже. Причем это наблюдается не только в глобальном масштабе.

Связь структуры и сейсмичности исследуется во многих проектах, поддержанных РФФИ. Это направление традиционно сильно представлено в геофизике. В цитируемых ниже проектах получены новые интересные результаты фундаментального уровня.

Исследование природы геологических структур, порождающих сильные землетрясения, выполненное в проекте 94-05-16207 (рук Е.А.Рогожин), позволило выявить современные геодинамические режимы, способные порождать сильные землетрясения, и установить характерные разновидности геологических сейсмогенерирующих структур: разломов, дизъюнктивных узлов, активных антиклиналей, пологих срывов в осадочном чехле и на поверхности фундамента. Установлено, что разрушительные сейсмические события повторяются в одних и тех же очагах неоднократно с периодом от нескольких сотен до нескольких тысяч лет, а при роевом характере активности - через несколько лет и даже месяцев. Геофизическими методами удалось проследить корни наиболее значительных сейсмоактивных структур в виде неоднородностей до низов коры и даже в верхах мантии. В результате исследований созданы объемные модели характерных типов сейсмических очагов, которые рассматриваются как конкретные геологические тела.

Эти исследования были продолжены в проекте 96-05-64014 (рук. Е.А.Рогожин) на материалах древних и современных землетрясений Горного Алтая, изучение которых позволило оценить их магнитуду величиной порядка 7-8 и интенсивность примерно 9-10 баллов. Обнаружены геологические структуры, породившие эти грандиозные сейсмические катастрофы прошлого. Расшифрована и описана четвертичная история развития этих сейсмогенерирующих структур, а также их современные движения. Подобные исследования проведены на территории России, да и во всем мире впервые. Изучение сейсмологических и геолого-геофизических эффектов в ближней зоне сильнейших современных землетрясений Кавказско-Тянь-Шаньского региона позволило собрать обширную информацию о строении их очаговых зон и о проявлениях этих зон в недрах и на поверхности.

Новый подход к проблеме определения максимально возможного землетрясения, являющейся ключевой в сейсморайонировании, разработан в книге В.Н.Родионова" Очерк геомеханики" (проект 96-05-78141). На основании модели среды со структурными неоднородностями предложен способ оценки энергетического класса максимального землетрясения и частоты его повторяемости для конкретного региона в зависимости от скорости деформирования среды в нем.

Сопоставление очагов сильных землетрясений с активными разломами Кавказского сектора Альпийского пояса, проведенное в проекте 94-05-16828 (рук. А.А.Никонов), позволило составить каталог и карту палеоземлетрясений Кавказа по палеосейсмодеформациям. Аналогичное сопоставление мезозойской и современной тектоники и сейсмичности Восточной Якутии, проведенное в проекте 93-05-09523 (рук. Л.М.Парфенов), установило, что современная граница Евразиатской и Североамериканской плит в районе между морями Лаптевых и Охотским совпадает с полосой эпицентров землетрясений, которая соединяет зоны проявления сейсмичности в Арктике и в Тихом океане.

Попытка единого вероятностного описания подготовки землетрясений и процессов разрушения была целью проекта 96-05-64800 (рук. П.Н.Шебалин). Совместно с французскими учеными разрабатывается иерархическая модель структуры разрушения и исследуется на этой модели процесс подготовки сильного землетрясения и разрядки в афтершоковой серии. Для сравнения с реальной сейсмичностью предложен ряд новых статистических моделей последовательности афтершоков. Методика оценки параметров неоднородностей литосферы с позиций фрактального подхода, разработанная в проекте 96-05-65363 (рук. В.Д.Феофилактов), позволяет по данным кода-волн афтершоков определять размеры структур в очаговой области.

На основании анализа сейсмичности и геодинамики коллизионного пояса Тетис, выполненного в проекте 96-05-66021 (рук. Д.В.Рундквист), установлено увеличение асейсмической составляющей общей деформации при перемещении по поясу с запада на восток. По мнению авторов эта сейсмическая информация совместно с данными о повышенном тепловом потоке, утоненной коре, поднятой астеносфере, вулканизме, характерных для Средиземноморского региона, позволяют говорить о важной роли плюмов (и вертикальных движений) в процессе тектогенеза.

Предположение о существовании самостоятельной современной литосферной плиты Берингии в Северо-Восточной Азии, окаймленной Корякским сейсмическим поясом и сейсмичностью Чукотки и Западной Аляски, высказано авторами проекта 93-05-08870 (рук. Б.Г.Букчин) на основании анализа динамики полей напряжений, деформаций и сейсмичности.

Исследование закономерностей сейсмического процесса блочной (дискретной) геологической среды, выполненное в проекте 94-05-17461 (рук. В.И.Лыков), позволило обнаружить явление снижения жесткости коры перед сильными землетрясениями, что предлагается рассматривать в качестве прогнозного признака.

Блочная структура коры существенно влияет на протекающие в ней деформационные процессы. Так, например, сплошная среда деформируется только за счет деформаций скелета, тогда как в среде с блочной структурой деформации и перемещения реализуются в значительной степени за счет межблочных промежутков (трещин, разломов), жесткость которых существенно меньше жесткости скелета. Иерархическая структура блочного строения геофизической среды придает ей новые качества. Она не только облегчает деформирование под действием приложенных сил, но и фиксирует направление происходящих подвижек за счет локализации деформаций и перемещений по границам блоков. Широкое распространение блочных структур в земной коре и частое проявление "живых" разломов свидетельствует о том, что эти структуры способствуют самоорганизации движения в твердой оболочке Земли. Существующие в настоящее время структуры возникли в результате длительной естественной эволюции и создавались качественно и количественно такими, чтобы обеспечить наиболее экономичное (энергетически) деформирование коры. Изучение взаимного влияния структуры и деформационных процессов в коре достаточно представительно присутствует в проектах РФФИ как в виде натурных, так и лабораторных исследований.

Тектоническая подвижность системы кора-фундамент-чехол и ее влияние на внутриплатформенный тектогенез исследовалась в проекте 93-05-09125 (рук. Ю.Г.Леонов). Установлена вертикальная расслоенность коры платформ и подвижность ее на разных уровнях, выполнен анализ изменчивости напряженного состояния коры литосферных плит в плане и, на этом основании, введено понятие о внутриплитных швах, понижающих жесткость и монолитность литосферных плит. Вышеперечисленные результаты исследования создают основу для разработки геодинамической модели коры внутриплитных областей, включая платформы.

Исследование глубинного строения, состава и геодинамики литосферы континентов и океанов, выполненное в проекте 93-05-14093 (рук. А.Н.Смыслов), позволило выделить системы, связанные с глобальными процессами развития Земли (рифты, глубокие нескомпенсированные впадины, континенты, океаны) и региональными явлениями внутри континентов и океанов (складчатые области, подвижные пояса, кратоны и др.). Интерференция этих систем приводит к сложным процессам геодинамического развития и состояниям, которые не могут быть объяснены и истолкованы с позиций какой-то одной модели. Наиболее информативным по мнению авторов представляется использование глобальной модели пульсационно-расширяющейся Земли (для планеты в целом) и геосинклинально-складчатой и платформенной модели (для континентов и зоны перехода).

В проекте 94-05-17300 (рук.Д.В.Коваленко) в результате исследований вращений геологических блоков Беринговоморского региона в горизонтальной плоскости (по данным палеомагнитного и структурного методов) был реконструирован тип столкновения островной дуги с материком (в данном случае фронтальная коллизия без сдвиговой компоненты движения) и, наоборот, сдвигово-надвиговый тип структуры Олюторского хребта.

Существование абсолютных горизонтальных движений зон субдукции, скорость которых может достигать 15 см/год, установлено по палеомагнитной информации о движении континентов, на краях которых существовали зоны субдукции, и по базе собранных геологических данных о непрерывной вулканической активности (93-05-08615, рук. Д.М.Печерский).

В проекте 96-05-64938 (рук. И.А.Гарагаш) на основании математического моделирования поведения блочной геофизической среды показано, что неупругое деформирование горных пород происходит в результате скольжения по существующим трещинам и образования большого числа новых дефектов, которые локализуются в разломы. Блоки, примыкающие к разлому, обладают собственным спином, независимым от среднего перемещения.

Анализ геодинамического поведения блочных моделей ряда геофизических объектов различного масштаба, проведенный в проекте 95-05-14439 (рук. Г.Г.Качарян), показал приуроченность деформационных и геодинамических процессов естественного и техногенного характера, а также закономерностей размещения месторождений полезных ископаемых к межблоковым границам. В ходе лабораторных и полевых экспериментальных работ, с помощью специально разработанных сейсмических методов инструментально измерены значения нормальной и сдвиговой жесткости нарушений сплошности земной коры различных типов.

Возможность возникновения повышенной подвижности блочной среды за счет проявления квазирезонансного эффекта аномально низкого трения (предложенного авторами) при совместном действии импульсной и статической нагрузок исследовалась в проекте 96-05-66052 (рук. М.В.Курленя). Утверждается, что важнейшим условием реализации эффекта аномально низкого трения между структурными элементами является соблюдение канонического соотношения между интервалами задержки взаимноортогональных импульсных воздействий на блочную систему и работающий блок.

Прикладные аспекты

Хотя поддержка прикладных исследований не входит в задачи РФФИ, в науках о Земле вопросы структуризации среды важны для практики не менее, чем для фундаментальных проблем. Поэтому во многих проектах содержатся возможности использования их результатов фундаментального характера для решения прикладных проблем.

Проблемы устойчивости и разрушения подземных выработок в блочных горных массивах приобретают особую актуальность для горной промышленности по мере увеличения глубин разработки полезных ископаемых. Естественно, что эти проблемы рассматривались в ряде проектов. Разработка вопросов теории неустойчивости и акселерации горных пород в блочном массиве вокруг выработок, полостей и скважин, проведенная в проекте 94-05-16447 (рук. А.М.Линьков), позволила: 1) Исследовать влияние неоднородностей строения и остаточной прочности на устойчивость состояния равновесия и акселерацию разрушения; 2) Создать новые методы расчета состояния равновесия и контроля устойчивости блочных и слоистых массивов при произвольных контактных условиях; 3) Получить количественную информацию о критических скоростях, отделяющих спокойное деформирование от динамического скачка (горного удара). Исследование напряженно-деформированного состояния блочного массива при техногенных воздействиях подземными горными выработками, проведенное в проекте 96-05-66102 (рук. В.Е.Миренков), показало, что наиболее благоприятной (для устойчивости выработок) является ориентация очистного фронта в направлении действия минимального горизонтального тектонического напряжения.

Математическое моделирование процессов деформирования и разрушения подработанных соляных массивов, выполненное в проекте 96-05-64849 (рук. А.Б.Барях), было использовано для анализа причин крупнейших аварий на Верхнекамском месторождении калийных солей (затопление в 1986 году Третьего Березниковского рудника и массовое обрушение пород на Втором Соликамском руднике). Его результаты были включены в нормативные документы по защите калийных рудников от затопления. Разработана методика оценки безопасности подработки, основанная на математическом моделировании изменения напряженно-деформированного состояния соляного массива в процессе ведения очистных работ и анализе условий формирования в нем системы водопроводящих трещин.

Анализ уменьшения во времени объема полостей в соляном массиве на Астраханском газоконденсатном месторождении был проведен в проекте 96-05-64988 (рук. В.Н.Родионов) на основании использования модели среды со структурой. Показано, что уменьшение объема согласуется с теоретическим решением задачи о самоподдерживающемся разрушении полости в соли при радиальном сжатии. Заполнение полостей разрушенным материалом препятствует лавинному обрушению свода и приводит к затуханию процесса. Конвергенции созданных подземных емкостей способствовали неблагоприятные геологические и гидрогеологические условия Сеитовского купола. Сформулированы основные вопросы освоения подземного пространства на больших глубинах.

Вопросы, связанные с разрушением и поведением разрушенной горной породы, имеют первостепенное значение для горнодобывающей промышленности, где взрывное и последующее мельничное дробление лежат в основе добычи многих полезных ископаемых. Непосредственный выход в практику взрывного разрушения дают результаты исследований по уже упоминавшемуся проекту 94-05-16555, которые позволяют прогнозировать не только средний размер куска в зависимости от расстояния до центра взрыва разрушаемого горного массива, но также распределение кусков по размеру. Знание физических явлений, лежащих в основании установленных закономерностей, позволяет наметить пути управления гранулометрическим составом взорванной горной породы. Несколько иной подход к взрыванию горных пород разрабатывался в проекте 95-05-14730 (рук. А.М.Лексовский), целью которого являлось разрушение кристалловмещающих пород при щадящем взрывании, обеспечивающем естественную сохранность кристаллов (например, алмазов или аналогичных ценных минералов). Основной результат последнего проекта сводится к хорошо известной рекомендации уменьшения давления во взрывном источнике (т.е. к переходу от бризантного к фугасному взрыванию). При этом уменьшается или совсем исчезает зона сильного дробления и переизмельчения, примыкающая к заряду ВВ, где в основном происходит разрушение добываемых кристаллов.

Весьма важное социально-прикладное значение имеют исследования, связанные с оценкой сейсмической опасности землетрясений. К таким следует отнести уже отмеченные проекты 94-05-16207 и 96-05-64014 (рук. Е.А.Рогожин), в которых исследованы сильные землетрясения (древние и современные) и породившие их структуры на территории Горного Алтая и в Кавказско-Тянь-Шаньском регионе. Полученные результаты могут быть непосредственно использованы для уточнения карты сейсморайонирования обследованного региона. Несомненно полезным для сейсморайонирования будет новый подход, предложенный в уже упоминавшемся проекте 96-05-78141 (рук. В.Н.Родионов). Рассмотрение процессов структуризации разломов и сейсмичности Байкальской рифтовой зоны на основе фрактального анализа (95-05-14211, С.И.Шерман) показало, что в целом для этого региона настоящий этап геодинамического развития завершен. Это обстоятельство может внести коррективы в долгосрочный прогноз региональной сейсмичности.

Подводя краткий итог анализу отчетов по данной тематике, можно заключить, что уровень рассмотренных работ достаточно высок. Имеется ряд достижений мирового класса. Исследования охватывают весь диапазон масштабов от глобального до локального, что соответствует диапазону распространенности блочных структур. Создаются новые физические модели, описывающие структуры Земли и их эволюцию, а также методические подходы. В большинстве работ получены интересные нетривиальные результаты. Однако намечается тенденция ослабления экспериментальных исследований (как натурных, так и лабораторных) вследствие значительного уменьшения финансирования. А эта тенденция в науках о Земле скажется весьма существенно. Реальная неоднородная твердая кора Земли весьма сложна для аналитического описания, поэтому эксперимент здесь совершенно необходим как в качестве основы для построения физических моделей, так и в качестве контроля для проверки достоверности теоретических построений (вспомним о той новой информации, которую дала нам Кольская сверхглубокая скважина). Чисто расчетные методы для описания поведения материала земной коры работают ненадежно (в данном обзоре расчетные методы проявились лишь в работах, связанных с конвективными структурами в мантии, где среда представлена вязкой жидкостью). Пока многие исследования проводятся в значительной степени на основании накопленного за предыдущие годы фактического материала и на старой методической базе. Российская и советская наука всегда была сильна высококачественным экспериментом. Утрата позиций в этой области серьезно скажется в первую очередь на науках о Земле.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center