Определение геомеханических и геокинематических параметров сильнейших землетрясений монголии

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2002. № 2, с. 68-78

УДК 550.348.436(517.3)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГЕОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИЛЬНЕЙШИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ МОНГОЛИИ

© 2002 г. 1, 2, 3, 3

1Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт ДВО РАН, Магадан, 685000

2Объединенный институт физики Земли РАН, Москва, 123995

3Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033

Поступила в редакцию 25.05.1999 г.

На базе исследований макросейсмических и иных сейсмологических и геофизических характеристик, полученных из литературных источников и в результате проведения полевых работ, дается оценка геомеханических и геокинематических параметров, а также выделившейся энергии Могодского (15 января 1964 г., М = 7.8) и одних из сильнейших в XX столетии Болнайского (23 июля 1905 г., М = 8.2) и Гоби-Алтайского (4 декабря 1957 г., М = 8.1) землетрясений Монголии. Идея оценки энергии заключается в прямом подсчете работы, необходимой для перемещения блока пород земной коры на некоторое расстояние. Величина смещения определяется при изучении сейсмодислокаций. Вертикальные размеры блока приняты равными средней глубине очаговых зон - около 20 км. Указанный параметр может быть уточнен при интерпретации геофизических (в частности, гравиметрических) наблюдений. Для Болнайского землетрясения расчетное значение выделившейся энергии составляет 1019 Дж, для Гоби-Алтайского - 1018 Дж, что совпадает с оценками, полученными иными способами. Широтная ориентировка сейсмогенных разрывов Болнайского и Гоби-Алтайского землетрясений позволяет связывать их генезис с изменением фигуры Земли.

ВВЕДЕНИЕ

Изучение сейсмодислокаций некоторых крупнейших землетрясений Монголии (рисунок), таких, как Болнайское (Хангайское) 23 июля 1905 г. 49.2° с. ш., 96.8° в. д. (здесь и далее даются координаты центра образовавшихся сейсмодислокаций), магнитуда М = 8.25, и предшествовавшее ему Цэцэрлэгское 9 июля 1905 г., 49.5° с. ш., 97.3° в. д., М = 7.9, Гоби-Алтайское 4 декабря 1957 г., 45.1° с. ш., 99.4° в. д., М = 8.1, Могодское 5 января 1967 г., 48.1° с. ш., 103° в. д., М = 7.8, позволило дать оценки их геомеханических и геокинематических характеристик - сейсмической энергии (Е) и сейсмического момента (М0), эффективного модуля сдвига (µэф), касательного напряжения (τ) и скалывающей силы F. Кинематические характеристики сейсмодислокаций указанных событий и их геолого-структурная и геофизическая позиции описаны во многих публикациях [1—6 и др.]. Они изучались авторами данной статьи во время полевых исследований спустя разное время после каждого из землетрясений, а в рамках единой международной экспедиции - в течение гг. В работе экспедиции, помимо авторов статьи, принимали участие наши зарубежные коллеги И. Балжинням, А. Баясгалак, Л. Ганбаатор (Монголия), П. Мол-нар (США), А. Систернас и Э. Филипп (Франция). Собранный фактический материал лег в основу написания данной статьи.

Сейсмодислокаций Цэцэрлэгского и Болнайского (Хангайского) землетрясений. Образование сейсмодислокаций Цэцэрлэгского и Болнайского (Хангайского) землетрясений произошло в результате двух последовательных толчков -9 июля 1905 г. с М = 7.9 и 23 июля 1905 г. с М = 8.25. В литературе имеются подробные описания катастрофы [1-5 и др.]. Недостатки этих описаний связаны с отсутствием в то время мировой сети сейсмостанций в том виде, в котором она существует сейчас. Протяженность главного сейсмогенного разрыва Хангайского землетрясения составляет около 370 км, а вместе с ответвлениями около 500 км. Величина амплитуды левосдвигового перемещения крыльев на Болнайском сейсмогенном разломе колеблется от 4-6 м на западе до 7-8 м на востоке. Во время полевых исследований 1990 года здесь обнаружен участок, на котором амплитуда сдвига по двум независимым (на разных ручьях) измерениям составила 11 м [4]. Столь большую и не отмеченную в более ранних работах амплитуду можно частично объяснить и современными, происшедшими уже после землетрясения, перемещениями типа крипа.

На большем протяжении Болнайского разлома на обоих крыльях наблюдаются волнистые изменения высот рельефа, своеобразная "гофрировка". Периодически, особенно в широких долинах на площадях с равнинным рельефом, то южное, то северное крылья оказываются приподнятыми. Длина такого рода "волн" изменяется

68

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГЕОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 69

Аномалии силы тяжести в редукции Буге и некоторые крупнейшие современные сейсмодислокации Монголии: 1 - изолинии аномалии поля силы тяжести, мГал; 2 - краевые разрывы меридионального Центрально-Монгольского блока по уверенным (а) и неуверенным (б) данным; 3 - Центрально-Монгольский меридиональный глубинный блок; 4 - сейсмогенные разрывы (Бр - Болнайский, Тр - Теренгтийнский, Цр - Цэцэрлэгский, ГАр - Гоби-Алтайский, или Богдо, Мр - Могодский); 5 - смещающееся крыло разлома и направление горизонтального перемещения; 6 - государственная граница Монголии.

вдоль разлома от десятков метров до километров. Инверсия знака вертикальных смещений отмечается иногда и при "перескоке" разлома с одного борта узкой долины на другой (при условии, что разлом вспарывает коренные породы подножий горных сооружений). Существуют звенья разрыва, на которых вертикальные перемещения больше горизонтальных и достигают нескольких метров. Повсюду наблюдаются провальные структуры глубиной в несколько метров. В некоторых из этих структур, где ширина их достигает нескольких десятков метров, обнаруживается хорошо различимая и ныне система трещин растяжения. Провалы, заполненные водой, характерны для мест пересечения разломами долин.

Иногда непрерывное прослеживание главного сейсмогенного разрыва нарушается, если на линии разрыва встречается препятствие в виде массивов кристаллических пород. Примером может служить ранее описанная [3] "гора-палатка". Упираясь в нее с запада, разрыв теряется, возможно, обтекает ее с двух сторон, а затем к востоку опять появляется в долине в виде пары сближающихся разрывов. Иногда существование не вскрытого процессами эрозии препятствия на пути разлома проявляется на поверхности в виде кулис сейсмогенной дислокации, зоны

ее ветвления. На таких участках левосторонний характер смещений устанавливается по вытянутым на северо-восток провальным структурам линейного облика, расположенным на северном крыле разлома. На крайнем восточном фланге Болнайский разлом проходит по лесу, многие деревья которого (лиственницы) существовали и до землетрясений 1905 г. В зоне разрыва толстые корневища древних лиственниц (диаметром более 10-20 см) буквально срезаны сейсмодислокацией. Общая протяженность сейсмогенных дислокаций Болнайского землетрясения возрастает за счет причленяющихся к генеральному разлому оперяющих сейсмогенных разрывов. Наиболее протяженные из них - Тэрэгтийнская система разрывов и Цэцэрлэгский разрыв.

Тэрэгтийнская система разрывных сейсмодислокации вытянута в северо-западном направлении и представляет собой совокупность трещин растяжения, провалов, сбросов волнообразного характера. Здесь, как и на главном сейсмогенном разломе, обнаруживается высокочастотная и низкочастотная волнистость крыльев разломов. Провалы возникают на опущенных крыльях. При пересечении широких долин число провалов увеличивается.

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ № 2 2002

70 ВАЩИЛОВ и др.

Цэцэрлэгский разлом протягивается на северо-восток примерно от центра Болнайской системы сейсмодислокаций. Здесь наблюдаются признаки правого и левого сдвигов амплитудой до 1.5 м [3]. Относительные вертикальные перемещения крыльев также невелики (0.5-1.5 м). По-видимому, основной кинематической характеристикой сейсмодислокаций было растяжение. Первым исследователем Болнайского землетрясения русским ученым указывалось [1], что ширина трещин достигала 6 м, но затем многие из них закрылись. Нами также наблюдались многочисленные признаки растяжения. При пересечении Цэцэрлэгским разломом широкой (в несколько километров) долины, расположенной километрах в 20 к юго-западу от долины р. Тэс, отмечалось большое число провальных структур. Поверхность долины и сейчас имеет структуру битой тарелки. Во время землетрясения здесь били мощные фонтаны, и долина была буквально затоплена водой (по рассказам и воспоминаниям местного населения, с которым в течение многих лет общался монгольский сейсмолог И. Балжинням [4]).

Представляют интерес и другие рассказы очевидцев Болнайского землетрясения (в изложении И. Балжинняма [4]), которые, судя по литературе, мало известны широкому кругу сейсмологов. Трасса Болнайского, или Хангайского, разлома из-за хороших природных условий достаточно плотно заселена. В конце XIX века в этом районе подыскивалось место для строительства монастыря. Учеными-ламами, вероятно, располагавшими своими приемами прогноза сейсмической опасности, было отвергнуто предложение построить монастырь на трассе образовавшегося затем Болнайского сейсмогенного разлома. Он был построен в менее живописном месте, и при землетрясении пострадало лишь главное здание монастыря. Другое дошедшее до современников сообщение касается вопроса о характере движений по разлому. В момент вспарывания шва его пересекал караван верблюдов. В результате сейсмического удара верблюды были отброшены в разные стороны без жертв. Число погибших, по-видимому, было невелико. Населению запомнился лишь случай, когда в трещине пропал мальчик. Надо отметить, что только в последние десятилетия удалось собрать рассказы и легенды о характере происшедшего землетрясения, которые перешли к новому поколению от очевидцев. показания очевидцев добывались с большим трудом. Местное население, испуганное катастрофой и движимое суеверием, весьма неохотно делилось впечатлениями и, как правило, скрывало факты, связанные с землетрясениями 7 и 23 июля 1905 г.

Таким образом, обобщение исследований сейсмодислокаций Болнайского землетрясения показало, что (1) сейсмодислокаций на поверхности хорошо

сохранились и во многих случаях они более ярко выражены, чем в Гоби-Алтайской зоне сейсмодислокаций, описание которой будет дано ниже; (2) относительно генерального Болнайского разлома подтверждено представление о господствующем левосдвиговом смещении, установленном лишь в результате исследований последних трех-четырех десятков лет; (3) для обоих крыльев разлома установлен знакопеременный характер вертикальных смещений, что свойственно большим сдвигам; (4) восточная оконечность разлома располагается в пределах Центрально-Монгольского меридионального блока, который выделен нами по гравиметрическим данным [4] и будет более подробно описан далее (рисунок).

Сейсмодислокаций Гоби-Алтайского землетрясения. Протяженность зоны сейсмодислокаций, возникших в результате Гоби-Алтайского землетрясения и вытянутых в квазиширотном (западно-северо-западном) направлении, составляет около 270 км, ширина - около 30 км. В этой тридцатикилометровой зоне отмечаются многочисленные и разнообразные сейсмодислокаций, возникшие в связи с землетрясением, в том числе такие крупные, как квазимеридиональный Тормхонский надвиг (рисунок) и южное сбросовое нарушение на юге горного массива Ихэ Богдо (последний расположен к западу от надвига).

Изучение Тормхонского надвига показывает, что по кинематическим характеристикам он скорее взброс, чем надвиг, и осложнен сдвигом с меняющимся, но крутым (до 80°) падением на запад плоскости смещения. Возникновение надвига представляется следствием перемещения на восток крупного и уходящего на большую глубину (не менее 15-20 км, по предположению П. Молнара [4]) блока горного хребта Ихэ Богдо и его взаимодействия с указанной выше крупнейшей меридионально вытянутой неоднородностью литосферы - Центрально-Монгольским глубинным блоком (рисунок). Центрально-Монгольский блок шириной свыше 300 км пересекает страну с севера на юг и отражается в меридиональном простирании горных цепей, водоемов, русел рек, геологических структур и гравиметрических полей примерно между меридианами 96° и 103° в. д. Тормхонский надвиг фиксирует на поверхности положение одного из линейных элементов указанного блока.

Главная сейсмодислокация Гоби-Алтайского землетрясения - разлом Богдо - четко выделяется в рельефе, проходя по подножию северного склона хр. Ихэ Богдо, образованного коренными породами. Амплитуда левого сдвига, определенная по смещению водотоков, составляет около 4—7 м. Отчетливо вырисовывается взброс южного крыла с амплитудой 1-1.5 м. Хорошо сохранился в рельефе характерный "валик" над зоной сжатия.

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ № 2 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГЕОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 71

Ближе к западному окончанию Гоби-Алтайской сейсмодислокации проявляются признаки растяжения. К ним относятся смещения сбросового типа в зоне сейсмического разрыва, появление зияющих трещин. На крайнем западном фланге наблюдается широкая (километры) сейсмогенная грабенообразная структура.

Но в целом для генеральной сейсмодислокации здесь свойственны все те же левосдвиговые смещения с амплитудой до 7 м. Отдельные участки характеризуются великолепной выраженностью разломов в рельефе, особенно когда он нарушает залегание базальтоидов. На некоторых глубоко эродированных участках местности отчетливо прослеживается пространственное совпадение разрывной сейсмодислокации с древним разломом.

Вероятно, что вспарывание сейсмогенного разрыва во время Гоби-Алтайского землетрясения происходило с запада на восток. Согласно сообщению монгольского сейсмолога И. Балжинняма [4], редкие в этой пустынной местности свидетели катастрофы говорили о том, что во время землетрясения с запада на восток в этом районе с большой скоростью двигался высокий столб пыли.

7 апреля 1958 г. вблизи зоны сейсмодислокации Гоби-Алтайского землетрясения на ее западной оконечности произошло еще одно мощное (М = 6.9) землетрясение - Баян-Цаганское, которое рассматривается и другими [2] в качестве самостоятельного, но генетически связанного с Гоби-Алтайским. В результате возникла Баян-Цаганская разрывная сейсмодислокация.

Главными кинематическими характеристиками разлома Богдо являются следующие: (1) квазиширотное (западно-северо-западное) простирание; (2) южное падение плоскости разрыва (по измерениям на поверхности) под углом в среднем 67°; (3) левосдвиговое горизонтальное смещение, в среднем на 5-7 м; (4) чаще приподнято южное крыло; (5) сейсмодислокации Гоби-Алтайского землетрясения располагаются в пределах южной оконечности выделенного нами Центрально-Монгольского меридионального глубинного блока.

Сейсмодислокации Могодского землетрясения. Масштаб Могодского сейсмического события значительно меньше, чем двух описанных выше землетрясений, однако, магнитуда его составляла М = 7.8. Постройки в сомоне Могод были разрушены. Могодская сейсмодислокация имеет квазимеридиональное простирание. Вместе со своим юго-восточным ответвлением, Тулэтским разрывом, ее протяженность составляет около 45 км. При формировании сейсмогенный разрыв унаследовал меридиональные геологические элементы и отражающие их поверхностные меридионально вытянутые морфоструктуры, впадины и хребты. Тулуэтский сейсмогенный разрыв вытянут в северо-западном направлении и совпадает с

одноименным хребтом. Могодская меридиональная сейсмодислокация тяготеет к восточному ограничению Центрально-Монгольского меридионально вытянутого блока. К западу от нее, примерно в 300 км, затухает восточное звено Болнайской сейсмодислокации. На том же меридиане 102.9° в. д., что и Могодская сейсмодислокация, к северу от нее располагаются меридиональные сейсмодислокации происшедшего ранее Сайханского землетрясения 23 июля 1958 г. М = 6.1.

Кинематически Могодскую сейсмодислокацию можно охарактеризовать как правосторонний сбросо-сдвиг. В нескольких километрах южнее сомона Могод сейсмогенный разлом пересекает древнее прямолинейное искусственное сооружение, называемое "дорогой царевны". По смещению в плане "дороги царевны" уверенно определяется правый сдвиг. Здесь же приподнято восточное крыло разлома.

Сейсмодислокации, возникшие в результате Могодского землетрясения, представляют совершенно другой тип нарушений, чем сейсмодислокации рассмотренных выше Гоби-Алтайского и Болнайского землетрясений. Их отличают: (1) масштабы сейсмических событий, выражающиеся в различии магнитуд землетрясений, протяженности и амплитуд поверхностных смещений; (2) ортогональность простираний линий главных сейсмогенных нарушений - меридиональных, с одной стороны, и широтных, с другой.

Динамические и энергетические особенности некоторых сильных землетрясений Монголии.

Современные движения земной коры подразделяются на четыре типа: 1) быстрые сейсмические движения; 2) сложные короткопериодические колебания; 3) многолетние движения в очаговых зонах, наблюдаемые вслед за сильными землетрясениями (например, в виде крипа); 4) медленные, или вековые, которые происходят с неизменным знаком в течение столетий (поднятие Фенноскандии, опускание Нидерландов). Обращаясь к быстрым сейсмическим движениям, определим кинематику как характеристику механического движения безотносительно к причинам, его вызывающим, а динамику - как механическое движение под влиянием взаимодействия материальных объектов. Реализуя указанный подход в отношении к сейсмическим явлениям, будем говорить об условно локальной поверхностной и региональной глубинной кинематике и динамике. К кругу вопросов, рассматриваемых поверхностной сейсмокинематикой, условимся относить фиксируемые в поверхностных сейсмодислокациях движения, возникновение которых объясняется характером строения и взаимодействия в процессе землетрясения геологических образований самых верхних частей разреза земной коры - до глубин в несколько сот метров - единиц километров. Объектом изучения

72

ВАЩИЛОВ и др.

глубинной сеисмокинематики являются движения масс вещества на глубинах до десятков и даже сотен километров и их проявление на поверхности. Аналогичные определения даются поверхностной и глубинной сейсмодинамике. Продолжая далее аналогии с механикой в отношении к геомеханике, определим геостатику как учение о твердых, жидких и газообразных телах земной коры и мантии в условиях равновесия сил, т. е., по существу, учение о структуре верхних частей Земли.

Натурные исследования сейсмодислокаций Монголии достаточно ярко показывают, что субширотным дислокациям Гоби-Алтайского и Болнайского землетрясений свойственна генеральная левосдвиговая компонента смещения и варьирующая по величине и знаку вертикальная составляющая деформаций. Первая из них отражает глубинную составляющую быстрых движений земной коры и, может быть, мантии. Вторая - результат проявления поверхностной кинематики.

Для широтных сейсмодислокаций Богдо (Гоби-Алтайского землетрясения) и Болнайской есть все основания полагать, что активным (т. е. испытавшим подвижку относительно фиксированной системы координат) блоком является южный блок. Активность южных блоков связана с их перемещением на восток, что и приводит к возникновению левосдвиговой компоненты.

Существует большое число признаков абсолютного перемещения на восток блока, расположенного к югу от разлома Богдо: 1) множественность сейсмогенных деформаций разнообразного характера в пределах южного крыла разлома Богдо; 2) большое число существующих там же подновленных глубинных и локальных палео - и неодислокаций; 3) отсутствие таковых в северном крыле - в Долине Озер; 4) некоторые особенности сейсмодислокаций: преобладание структур растяжения на западной оконечности сейсмогенного разлома; сбросовый характер западно-юго-западного сейсмогенного разрывного ограничения массива Ихэ Богдо и взбросово-надвиговый — восточного (разрыв Тормхон); затухание амплитуды левосдвигового перемещения вдоль генеральной сейсмодислокаций в восточном сегменте плейстосейстовой области. Два последних обстоятельства можно объяснить существованием упомянутого выше меридионального Центрально-Монгольского блока, ортогонального сейсмогенным разломам Богдо и Болнайского. Четкое проявление его на мелкомасштабной гравиметрической карте, в рельефе и поверхностной тектонике дает основание считать, что мы имеем дело с геологическим объектом глубинной природы (рисунок). По-видимому, корни квазимеридиональных структур уходят в литосферу. Смещающийся на восток активный сейсмогенерирующий южный блок упирается в один из элементов жесткого Центрально-

Монгольского меридионального блока, который в данном своем качестве выступает в качестве сейсмоаккумулирующего. Именно на таких участках земной коры и мантии накапливаются максимальные напряжения, в результате разрядки которых возникают сильнейшие землетрясения.

Возможен прогноз таких участков повышенной сейсмоопасности путем подсчета меры дискордантности разломов и линеаментов [7].

Активность южного крыла Болнайского разлома более проблематична, однако, некоторые признаки не противоречат этой идее. В этом случае вероятен также вариант абсолютного смещения на восток одновременно и южного и северного крыльев разрыва, но южного - на большую величину. В последнем случае разница амплитуд одновременного смещения на восток обоих крыльев будет равна видимой амплитуде левого сдвига.

Отличия глубинных сейсмокинематических характеристик Гоби-Алтайского и Болнайского землетрясений заключаются в следующем. Вспарывание шва разрыва Богдо происходило с запада на восток, и при этом максимальная амплитуда левосдвигового перемещения наблюдается в центральной части разлома. В системе сейсмодислокаций Болнайского землетрясения начальное событие 9 июля 1905 г. отмечено в восточной части плейстосейстовой области, сопровождалось образованием Цэцэрлэгского разрыва и отделено по времени от главного события 23 июля 1905 г., в результате которого возникли сейсмогенные дислокации, связанные с Болнайским широтным разломом. Цэцэрлэгские дислокации характеризуются широким развитием структур растяжения. Триггерным механизмом для последовавшего более крупного события послужило ослабление напряжений сопротивления в районе Центрально-Монгольского меридионального блока в результате смещения пород земной коры и мантии на восток и юго-восток от Цэцэрлэгского разлома. Изучение глубинной кинематики Цэцэрлэгской сейсмодислокаций затруднено в связи с наложением на нее дислокаций Болнайского землетрясения. Амплитуда максимального горизонтального левосдвигового перемещения отмечается на центральном участке разлома Богдо, а на Болнайском разломе - на его восточном звене.

Для обоснования представлений об активности южного блока (абсолютном перемещении его на восток) показательна картина сейсмодислокаций, возникших непосредственно в связи с Болнайским землетрясением. Указанные сейсмодислокаций, так же как и при Гоби-Алтайском землетрясении, произошли на южном крыле Болнайского разлома. Наиболее мощной из них является система Тэрэгтийнских нарушений юго-юго-восточного простирания. В этой зоне широко развиты сейсмодислокаций раздвиговой природы, особенно в

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГЕОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

73

узле сочленения Тэрэгтийнского и Болнайского разломов, где вертикальные смещения в рыхлых и коренных породах достигают максимальной величины. Именно от этой точки начинается закономерное увеличение на восток амплитуды левого сдвига.

Следовательно, имеются веские основания полагать, что во время Гоби-Алтайского и Болнайского землетрясений активными, т. е. перемещающимися на восток, были блоки (или системы блоков), примыкающие к широтным сейсмоген-ным разломам с юга.

Для глубинной сейсмокинематики сдвигов существенна прямолинейность указанных сейсмогенных разрывов на поверхности, которая рассматривается как признак вертикального характера плоскости разрыва на достаточно больших глубинах.

Выполаживание к дневной поверхности плоскости разрыва объясняется тем, что, несмотря на значительные горизонтальные напряжения на глубине, отсутствие свободного пространства или малоуплотненного вещества препятствует горизонтальному перемещению масс, поперечному к линии разлома. Но вблизи дневной поверхности прочность пород уменьшается, и создаются предпосылки к определенному их латеральному перемещению под давлением активного блока и образованию в самой приповерхностной части разреза надвиговых и взбросовых структур. Именно поэтому непосредственно измеренные углы падения сейсмогенного разрыва, как правило, крутые, но не вертикальные. Важно отметить, что поверхностный надвиг равнозначен глубинному поддвигу активного блока. В разрезе поверхности разрывов имеют "плюмажную", грибообразную форму.

меры деформируемого тела. Поэтому выражению (1) для сейсмического момента М0 можно придать следующую форму:

Характер поверхностной сейсмокинематики во многом определяется и тем, какие породы находятся на крыльях разрыва со стороны активного и пассивного блоков. Так, к востоку от сочленения Тормхонского надвига и разлома Богдо последний проходит по южному склону массива нижнепалеозойских коренных пород, располагающихся в пределах пассивного блока. Поверхностная часть активного блока сложена осадочными породами мела, которые в зоне разлома были выдавлены вверх, образовав валики и взброс. Южное крыло оказалось приподнятым. Западнее узла пересечения Тормхонского и Богдо разломов, где он проходит по рыхлым отложениям пустыни, приподнятым оказывается то южное, то северное крыло. Одним из вариантов объяснения этого явления, помимо типичных особенностей сдвиговых деформаций, может быть характер соотношения глубин кровли прочных коренных пород под рыхлыми отложениями вблизи сейсмогенного разлома. Так объясняются эффекты волнистости,
"гофрировки", связанные со знакопеременным вертикальным смещением крыльев Болнайского разлома. Однако по данным к подобной же картине приводит моделирование сдвигов в глине. По-видимому, есть основание полагать, что особенности глубинной кинематики наиболее уверенно распознаются по поверхностным сейсмодислокациям, разрывающим коренные кристаллические породы. В этом случае измеряемые амплитуды горизонтальных и особенно вертикальных смещений по сейсмогенным разломам, как правило, минимальны.

Воздействие широтных перемещений блоков земной коры и мантии, которые являются инициирующими, вызывает сейсмогенные дислокации и в Центрально-Монгольском меридиональном линейном блоке. Накапливающиеся напряжения разряжаются не только путем широтных латеральных перемещений масс, но и перемещением по "диагональным" и меридиональному направлениям. Их можно рассмотреть на примере Мо-годской и Тулэтской сейсмодислокаций.

Здесь активными нам представляются западное крыло меридиональной Могодской сейсмодислокаций и юго-западное - Тулэтской. Пассивные крылья испытали вертикальные подвижки взбросового характера, активные - правостороннее смещение на север и северо-запад [3]. На северо-западном фланге Тулэтского разрыва в двух местах были установлены признаки, которые можно интерпретировать в качестве показателя левостороннего сдвига. Такая интерпретация не укладывается в рамки представлений о сейсмических процессах и кинематике Могодского землетрясения, полученных по сейсмограммам и в результате тщательных натурных исследований монгольских и российских сейсмологов.

Оценка энергетики рассмотренных землетрясений по макросейсмическим данным проводилась на базе определения пространственных характеристик сейсмогенных нарушений по формуле:

Здесь َm0 - сейсмический момент (векторная величина, измеряемая в единицах Н м), µ - модуль сдвига, S - площадь поверхности сейсмогенного разрыва, Δَr - вектор смещения по разлому. Величина Δr называется также абсолютным сдвигом в противовес относительному сдвигу или углу сдвига, который определяется для малых значе -

74 ВАЩИЛОВ и др.

Таблица 1. Оценка сейсмических моментов М0, касательного напряжения т и скалывающей силы F при µ = = 3.3 х 1010 Н/м2 Гоби-Алтайского, Болнайского и Могодского землетрясений по результатам изучения сейсмогенных разрывов

где τ - касательное напряжение, F = τS- касательная (скалывающая) сила, вызвавшая землетрясение. Величину |r| будем полагать равной ширине активного блока. Для Гоби-Алтайского землетрясения ширина блока составляет 30 км, для Болнайского 70 км. В последнем случае поперечные размеры блока определялись как расстояние по перпендикуляру от юго-восточной оконечности Тэрэгтийнского разрыва к Болнайскому разлому. Тогда, на основе выражения (2), получаем формулы для оценки τ и F:

При определении сейсмических моментов Гоби-Алтайского, Болнайского и Могодского землетрясений модуль сдвига принимался равным µ = 3.3 х 1010 н/м2. При расчете 5 использовались макросейсмические данные о протяжении сейсмогенных разрывов (l) и предположительные данные о глубине проникновения сейсмогенной

дислокации (H), которая на основе общих соображений о толщине хрупкого слоя коры была принята равной 20 км. Для очагов сильных землетрясений обычной является глубина 15-30 км. Они располагаются в пределах "гранитного" слоя коры, мощность которого в рассматриваемых районах Монголии не превышает 20 км [3]. Безусловно, что процессы, влекущие за собой сильные землетрясения, происходят в литосфере на больших глубинах. Но в строении верхних частей литосферы и низов коры велика роль гипербазитовых пород, обладающих пластичностью, малой вязкостью, способных "течь" в холодном состоянии как протрузии. Период релаксации напряжений в таких породах значительно меньше, чем в породах "гранитного" слоя. Именно вследствие этого в верхних 15-20 км накапливаются большие напряжения, разрешающиеся сейсмическими катастрофами.

Модуль вектора |Δr| - компонента полного смещения по разлому — вычислялся на основе определения средних значений горизонтальной и вертикальной компонент смещений и замеренного на поверхности угла падения по формуле (5):

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ № 2 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГЕОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 75

Таблица 2. Величины сейсмических моментов по результатам анализа длиннопериодных объемных и поверхностных волн

Здесь и в табл. 1, где приведены геомеханические характеристики землетрясений, приняты следующие, кроме указанных выше, обозначения: Е - энергия землетрясения, δ - средняя величина угла падения поверхности сейсмогенного разрыва, Δl и Δh - видимые горизонтальное и вертикальное смещение по разлому.

Выражение (5) учитывает непосредственно замеренный наклон поверхности разрыва 6. Однако приведенные выше доводы убедительно говорят о том, что наклон - это поверхностное явление, при котором проявляется горизонтальная деформация, перпендикулярная линии разрыва. На глубине разлом квазивертикален, и в формуле (1) S определялась для вертикального случая как произведение H на l. Следовательно, величины Δr

в (5) завышены за счет Δh2ctg2δ, глубинные смещения Δr должны быть меньше и вычисляются по формуле:

В табл. 1 приведены механические параметры землетрясения, которые обычно не определяются: скалывающая сила F ("сила" землетрясения) и касательное напряжение т, характеризующие условия формирования разлома.

Суммарные силы F, действие которых привело к возникновению разрывов, и для Болнайского, и для Гоби-Алтайского землетрясений оказались равными. Следует заметить, что в целом абсолютные цифры параметров в табл. 1 претендуют лишь на оценку порядка величины, но сравнение их между собой для характеристики разных сейсмогенных

объектов вполне правомерно. Максимальные силы действовали при формировании западного и центрального звеньев разлома Богдо, что не противоречит указанным выше показаниям очевидцев о раскалывании с запада на восток. На Болнайском разломе максимальные силы возникли при формировании восточного фланга разрыва. Они превосходили силу землетрясения на центральном и восточном звеньях разлома в 3-7 раз.

Касательные напряжения разлома Богдо (τ = = 0.7 х 1010 Н/м2) почти вдвое превышают касательные напряжения, существовавшие на Болнайском разломе (0.4 х 1010 Н/м2), а τ его центрального (хр. Ихэ Богдо) и западного звеньев превосходят восточное вдвое. На Болнайском разломе величина касательного напряжения уменьшается с востока на запад.

Все эти рассуждения справедливы при условии постоянства модуля сдвига µ = 3.3 х 1010 Н/м2 на всем протяжении разломов.

В табл. 2 приводятся данные о сейсмическом моменте по результатам интерпретации записей длиннопериодных волн. Сравнение табл. 1 и 2 говорит о близости результатов, полученных разными методами; исключение составляет Цэцэрлэгское землетрясение, где сейсмические моменты различаются на порядок.

Само по себе такое совпадение кажется удивительным, так как многие величины в формуле (5) взяты весьма условно и могут отличаться от действительных на порядок. Рассмотрим каждую из этих величин.

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ № 2 2002

76 ВАЩИЛОВ и др.

Модуль сдвига µ = 3.3 х 1010 Н/м2 принят равным модулю сдвига для пород типа гранитов и гранодиоритов. Однако возникновение разрывов при землетрясениях происходит, как правило, не путем новообразований дизъюнктивов, а по уже существующей сети нарушений. Использование при сейсмогенном разрывообразовании такой сети, как это было во всех рассмотренных случаях, приводит к значительному (вероятно, в несколько раз) уменьшению эффективной величины модуля сдвига.

Площадь поверхности сейсмогенного разрыва S зависит от принятой глубины проникновения Н сейсмогенного разрыва. П. Молнар, как говорилось выше, принял Н равной 20 км [4—6]. Однако это предположительное значение, и точная глубина может равняться и 40 км, и любой другой величине. Кроме того, при подсчете площади принималось предложение, что разлом падает вертикально. И хотя оно нам кажется верным, т. к. сейсмогенные разломы на протяжении десятков и сотен километров прямолинейны, это тоже всего лишь гипотеза.

Размерность сейсмического момента М0 совпадает с размерностью момента сил (Ньютон • метр в системе СИ) и работы сил (Джоуль в системе СИ). В отличие от момента сил работа не является векторной величиной. Физический смысл выражения (2) можно интерпретировать и как работу сил, равных по величине силам сопротивления перемещению блока вдоль поверхности сейсмогенного разлома F = µS на расстоянии Δr. Величина µ - 3.3 х 1010 Н/м2, принятая при расчетах, явно завышена и значительно меньше действительной. Поэтому завышенной будет и оценка энергии землетрясения, подсчитанная по формуле (1). Действительно, энергия Гоби-Алтайского и Болнайского землетрясений при µ = 3.3 х 1010 Н/м2 составит 1021 Дж, или 1028 Эрг, что эквивалентно энергопотерям Земли за год через теплопоток. Будь величина µэф определена более точно, таким способом можно было бы оценить энергию, выделяющуюся при землетрясениях. По-видимому, эффективное значение µэф возрастает при пересечении сейсмо-генным разломом участков земной коры и мантии с дискордантным и, особенно, перпендикулярным простиранием структур. Именно таким представляется нам район Центрально-Монгольского меридионального блока (рисунок), где накапливается энергия большинства сильных и катастрофических землетрясений.

С другой стороны, можно уточнить оценку энергии по формуле (1), подсчитав по результатам интерпретации аномалий силы тяжести глубину заложения сейсмогенного блока по методике, изложенной в работе [12]. По данным П. Мол-нара, положительные аномалии силы тяжести в редукции Буге характеризуют изостатически

нескомпенсированное поднятие Ихэ Богдо. Расчеты дадут более обоснованное значение глубины блока и заложения разлома, чем наугад взятая величина 20 км. При этом, согласно установленной закономерности [12], нижнее ограничение плотностной неоднородности в виде блока должно совпадать с квазигоризонтальной поверхностью расслоения в земной коре или в верхней мантии, по которой происходит горизонтальное перемещение блока при землетрясении.

Приведенные в табл. 1 и 2 значения сейсмического момента можно пересчитать в величины, которые характеризуют верхний предел значений выделявшейся энергии. Нижний предел можно оценить путем подсчета работы сил по перемещению активного блока в поле силы тяжести. Суммируя наши знания о сейсмокинематике активного блока Гоби-Алтайского землетрясения, примем для расчета следующие его параметры: ширина d = 30 км, глубина Н = 20 км, длина и амплитуда вертикальных перемещений западного, центрального и восточного элементов блока в соответствии с табл. 1. Среднюю плотность слагающих блок пород примем равной σ = 2.8 г/см3. Тогда суммарная энергия Ев составит величину:

Здесь fi - сила тяжести, действующая на i - блок, i = 1, 2, 3, ..., тi - соответствующая масса блока, g = 9.8 м/с2 - ускорение силы тяжести. Полученная величина 0.6 х 1019 Дж, или 0.6 х 1026 Эрг, согласуется с максимальными оценками энергии сильнейших землетрясений (для сравнения: годовое производство электроэнергии в мире составляло в 1980-х годах около 2 х 1019 Дж).

Но подсчитан энергетический вклад только вертикальной составляющей Ев. Энергия Ев = 0.6 х х 1019 Дж является максимальной оценкой для землетрясений на Земле. Поэтому вполне логично предположить для энергии горизонтальных перемещений Ег ее значения порядка Ег < Ев. Тогда из формул (1) и (7) дается оценка величины эффективного модуля сдвига µэф

Эффективный модуль сдвига можно использовать для расчета порядка величины энергии землетрясения, если известна глубина проникновения

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ № 2 2002

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ГЕОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 77

Таблица 3. Механические параметры некоторых катастрофических и сильных землетрясений Монголии, рассчитанные при эффективном модуле сдвига µэф = 0.2 х 107 Н/м2 и глубине проникновения сейсмогенного разлома Н = 20 км

Таблица 4. Сейсмическая энергия по табл. 3 и расчетная по магнитуде и разным формулам

сейсмогенного разлома. В табл. 3 представлены результаты пересчета сейсмических моментов в энергию землетрясения (которая по величине равна исправленному сейсмическому моменту М0), напряжение т и скалывающую силу F при µэф = 0.22 х х 109 Н/м2, для чего использовался переходный коэффициент "к":

Механические параметры землетрясений могут быть уточнены, если будут получены точные значения глубины нижнего ограничения сейсмически подвижного блока. В дальнейшем возможна классификация землетрясений с использованием в качестве классификационных признаков величин τ, F и µэф. µэф принята за постоянную величину, но в действительности µэф меняется от района к району и вдоль разлома. Все это должно привести к изменению соотношений величин τ и F вдоль различных звеньев сейсмогенных дислокаций и для разных дислокаций, в том числе и в табл. 1,3.

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ № 2 2002

Результаты расчетов сейсмической энергии Е в табл. 3 показывают предельно большие ее величины. Они сравнимы или превосходят (в разных вариантах оценок и разными сейсмологами) среднегодовые сейсмические энергозатраты для всей Земли (1018 Дж). В этом плане можно согласиться с утверждением о том, что годовой расход сейсмической энергии определяется катастрофическими землетрясениями. Поскольку катастрофические землетрясения происходят далеко не каждый год, то величина выделившейся сейсмической энергии в год колеблется в десятки раз. Поэтому следует определять энергию землетрясений не за год, а за 100 лет, что дает более устойчивую цифру расхода энергии.

В табл. 4 вынесены величины энергии Е, приведенные в табл. 3 в сравнении с рассчитанными по магнитуде М по разным формулам. Табл. 4 демонстрирует значительный диапазон расхождений величины Е в обе стороны, что является объективным отражением различного подхода сейсмологов к оценке энергии землетрясений. Поэтому прямой

78

ВАЩИЛОВ и др.

расчет энергии землетрясения по величинам сейсмодислокаций с привлечением данных о глубинности активных сейсмогенных блоков, вычисленных по результатам интерпретации гравиметрии, представляет большой интерес для сейсмологии. В этом смысле велико значение использования трехмерных плотностных моделей земной коры и верхней мантии.

Выводы. 1. Квазиширотные протяженные разрывные сейсмодислокации, образовавшиеся в результате одних из сильнейших в XX веке Болнайского и Гоби-Алтайского землетрясений, характеризуются генеральной левосдвиговой компонентой горизонтального смещения с признаками перемещения южного крыла.

2. Центрально-Монгольский меридиональный глубинный блок, впервые выделенный авторами и ортогональный указанным сейсмогенным разры вам, представляет собой сейсмоаккумулирующую структуру, с простиранием которой совпадают сейсморазрывы или их фрагменты, образовавшиеся при Сайханском и Могодском землетрясениях.

3. На основе обобщенных оценок макросейсмических кинематических, структурных, геомеханических и физических параметров разрывных сейсмодислокации указанных землетрясений выполнены ориентировочные прямые расчеты сейсмических моментов, касательного напряжения, скалывающей силы и сейсмической энергии главных толчков. Скалывающая сила и касательное напряжение представляются весьма важными характеристиками сейсмического процесса, которые необходимо привлекать при описании землетрясений, в том числе используя предложенную в статье методику.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Доклад о поездке в Монголию для исследования очагов землетрясений 9 и 23 июля 1905 г. // Изв. Постоянной центральной сейсм. комиссии, 1907. Том 2. Вып. 3. С. 83-92.

2.  Гоби-Алтайское землетрясение. М.: Изд. АН СССР, 19с.

3.  Землетрясения и основы сейсмического районирования Монголии. М.: Наука, 19с.

4.  , , и др. Оценка геомеханических и геокинематических параметров сильнейших землетрясений Монголии. Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 19с.

5.  Baljinnyam /., Bayasgalan A., Borisov B. A. et al. Rep - tures of Major Earthquakes and Active Deformation in Mongolia and Its Surroundings // Geol. Soc. of America. Memoir; 19р.

6.  , и др. Деформация и разрывообразование при сильных землетрясениях в Монголо-Сибирском регионе // Глубинное строение и геодинамика Монголо-Сибирского региона. Новосибирск: Наука, 1995. С. 5-55.

7.  , , Геолого-геофизические условия возникновения земле трясений на Северо-Востоке России. Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 19с.

8.  Cehn W. P., Molnar P. Seismic moment of major earth quakes and the average rate of slip in Central Asia // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. P. .

9.  Huang J., Chen W. P. Sources mechanisms of the Mogod earthquakes sequence of 1967 and event of 1974 July 4 in Mongolia // Geophys. J. Roy. Astronom. Soc. 1986. V. 84. P. 361-379.

10.  Molnar P., Deng Qidong. Faulting associated with large earthquakes and the average rate in central and eastern Asia//J. Geophys. Res. 1984. V. 89. P. .

11.  Okal E. A. A surface - way investigation of the rupture mechanism of the Gobi - Altai (December 4, 1957) earthquake // Phys. Earth and Planet Int. 1976. V. 12. P. 319-328.

12.  Блоково-слоистая модель земной коры и верхней мантии. М.: Наука, 19с.

Determination of Geomechanical and Geokinematic Parameters for Some Great Mongolian Earthquakes

Yu. Ya. Vashchilov1, B. A. Borisov2, V. M. Kochetkov3, R. A. Kurushin3

1 Northeast Institute of Multidisciplinary Research, Far East Division, Russian Academy of Sciences. Magadan, Russia

2 United Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Moscow. Russia

3 Institute of the Earth's Crust, Siberian *****ssian Academy of Sciences, Irkutsk, Russia

Macroseismic and other seismological and geophysical characteristics collected from the literature and obtained during field investigations were examined to derive geomechanical and geokinematic parameters and energy release for the Mogod (January 15, 1964, M = 7.8) and the greatest (for the 20th century) Bolnai (July 23, 1905, M = 8.2) and Gobi Altai (December 4, 1957, M = 8.1) Mongolian earthquakes. The idea underlying our energy estimation consists in a straightforward calculation of the work required to move the relevant crustal block through some distance. The displacement value is derived from a study of earthquake breakage. The block is assumed to have its vertical dimension equal to the average depth of earthquake source areas, i. e., about 20 km. This parameter can be revised based on interpretations of geophysical (e. g., gravity) observations. The energy release was found to be 1019 J for the Bolnai earthquake and 1018 J for the Gobi Altai event, which is consistent with estimates derived by other methods. The east-west orientation of earthquake ruptures for the Bolnai and Gobi Altai earthquakes lends itself to the conclusion that they can have been caused by changes in the figure of the Earth.

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ № 2 2002