Структуры земной коры в различных геодинамических обстановках, параметризация и пространственно-временное распределение связанных с ними сильных землетрясений

Целью исследований является изучение сейсмогенерирующих разломов на территории постплатформенных (Алтай, Тянь-Шань) и постгеосинклинальных (Кавказ, Крым) орогенов Альпийско-Гималайского подвижного пояса. Будут обследованы эпицентральные зоны исторических и палеоземлетрясений с целью выявления и параметризации сильных сейсмических событий. Эти данные будут использованы для определения повторяемости сейсмокатастроф, а также латеральной миграции очагов сильных землетрясений вдоль сейсмогенерирующих зон. Анализ комплекса данных, собранных во время исследовательских работ, позволит установить приуроченность очагов сильных землетрясений к конкретным структурам земной коры, оценить их энергетический потенциал. Полученные материалы будут использованы для достоверной оценки сейсмической опасности горных территорий Российской Федерации, а также среднеазиатских республик бывшего СССР и Китая. Цель палеосейсмологических исследований на Балтийском щите и других смежных районах Восточно-Европейской платформы – анализ возможности возникновения сильных землетрясений, продолжение разработки методических основ для параметризации палеоземлетрясений и сейсмического районирования, оценка параметров палеосейсмичности. Целью палеогеодинамических исследований лаборатории является уточнение характера палеогеодинамических механизмов формирования альпийских складчатых структур Большого Кавказа (механизмы «Изостазия» и «Сокращение») в сравнении с механизмами формирования структур другого возраста – каледонских и герцинских складчатых комплексов Тянь-Шаня. Для получения материала по-прежнему будет использоваться в основном метод построения сбалансированных разрезов [Яковлев, 2017; Yakovlev et al., 2023]. Для исследования геодинамических механизмов будет применяться факторный анализ. Для уточнения истории неотектонических движений структур Большого Кавказа будут использоваться методы структурной геоморфологии. На основе данных сбалансированных моделей осадочного чехла и рельефа кровли фундамента, а также по характеру неотектонических движений будут уточняться тектонические позиции крупных землетрясений Большого Кавказа и Тянь-Шаня. Будет проверена гипотеза связи современных тектонических движений блоков коры с явлением разуплотнения пород коры и мантии (механизм «Сокращение»). Исследование процессов подготовки сильных землетрясений методами неравновесной физики и фрактальной геометрии, выявление общих закономерностей этих процессов, разработка методов их количественного описания и практического использования в задачах сейсмического мониторинга. Горные территории являются источником аккумуляции гидроресурсов и связанных с этим процессом геоэкологических опасностей. Контрастный рельеф является первопричиной оползневых процессов. Спусковым крючком геокатастроф чаще всего являются сильные землетрясения. Именно они запускают многоступенчатую последовательность природных катастрофических процессов: сильное землетрясение -> схождение оползня в долину реки -> образование дамбы и подпрудного озера вверх по долине -> разрушение плотины из-за сильного афтершока или перелива воды через дамбу -> схождение катастрофического селевого потока по долине реки -> затопление обширных территорий при выходе потока на открытое пространство межгорной / внутригорной впадины. В связи с этим исследования, параметризация сильных исторических и палео-сейсмических событий является важнейшей задачей при оценке сейсмической опасности горных населенных пунктов, путей сообщений, энергетических и трубопроводных линий, а также гидроэлектростанций. В свете современной политической ситуации в мире, геокатастрофы могут послужить катализатором межнациональных и межрелигиозных конфликтов горных стран-соседей (например, Ферганская долина, республики Закавказья) Палеосейсмологический метод – базовый при оценке сейсмического потенциала стабильных платформенных регионов, таких как Балтийский щит и смежные районы Восточно-Европейской платформы, отличающихся слабой современной сейсмичностью и длительными периодами сейсмического затишья. Новые возможности для развития этого метода дают литологические исследования четвертичного покрова. В плейстоценовых озерных комплексах Балтийского щита широко распространены деформации в мягких осадках (конволюции), при этом другие типы потенциальных сейсмитов представлены слабо. Важная особенность конволюций – низкий порог чувствительности их грунтов к сейсмовибрационным воздействиям, обусловленный деформированием высокодисперсных неуплотненных водонасыщенных осадков, что позволяет использовать конволюции для выявления не только сильных, но и сравнительно слабых (V-VIII баллов) палеоземлетрясений. Вторая особенность – резкое различие пороговых величин динамических воздействий, в зависимости от состава и характера стратификации нарушенных грунтов. Выявленное в ходе сравнительных исследований озерных конволюций стабильных и активных регионов это новое свойство, позволяет проводить типизацию конволюций по структурно-литологическим параметрам [Горбатов, 2023] и определять внутри каждого типа критический уровень интенсивности и магнитуды, что значительно расширяет возможности оценки сейсмической опасности по сейсмогенным конволюциям. На современном уровне изученности сейсмитов применяется эмпирическая зависимость между магнитудой землетрясения (Mw) и максимальным расстоянием от эпицентра до участков разжижения грунтов [Ambraseys, 1988], позволяющая определять лишь минимальную магнитуду палеоземлетрясений без оценок ее верхнего предела и сейсмической интенсивности. Отмеченный недостаток может быть устранен путем определения пороговых величин сейсмических параметров для различных классов устойчивости конволюций, при этом новым параметром для анализа палеосейсмичности является как встречаемость в разрезах менее устойчивых, так отсутствие в них наиболее стабильных типов конволюций при наличии слоев осадков подходящего состава. В планируемых работах по палеогеодинамике на период до конца 2027 года есть несколько новых аспектов. В настоящий момент существует несколько моделей строения и развития Большого Кавказа, существенно отличающихся по основным свойствам структуры и имеющих в целом умозрительный характер. Эта ситуация, с одной стороны, ставит задачу уточнения структуры в спорных местах, что относительно просто достигается путем построения сбалансированных моделей осадочного чехла [Яковлев, 2015]; такая работа будет продолжена. С другой стороны, возникает необходимость выдвижения новой модели строения и развития всего сооружения, которая будет использовать наблюдаемые количественные параметры структуры. Геодинамические механизмы («Изостазия» и «Сокращение»), обнаруженные с помощью факторного анализа могут быть основой такой модели [Яковлев, Горбатов, 2018]; выдвижение этой модели в качестве универсальной в свою очередь требует ее уточнения и подтверждения, в том числе – путем сопоставления с механизмами формирования регионов с аналогичной складчатостью другого возраста. С этой целью будут изучаться каледонские и герцинские структуры Тянь-Шаня. Первые полученные результаты для каледонской структуры Тянь-Шаня [Яковлев, Горбатов, 2023] показали почти полную идентичность комбинации тех же механизмов «Изостазия» и «Сокращение» с процессами формирования структур интенсивной складчатости Большого Кавказа. Явление разуплотнения пород коры и мантии (геодинамический механизм «Сокращение») может рассматриваться как внутренний источник возникновения напряжений сжатия всего региона, с одной стороны, и как причина вертикальных движений отдельных блоков коры – с другой. Современная активность такого геодинамического механизма, который является внутренним, а не внешним для структуры, может объяснить сейсмическую активность региона. Для получения надежного результата нужно провести работу по анализу складчатости разных регионов, включая уточнение имеющихся структурных профилей во время полевых работ, определение типа и величины деформации разномасштабных складчатых структур и проведение сопоставительного анализа истории развития нескольких регионов. Исследование процессов подготовки землетрясений имеет, прежде всего, фундаментальное значение в рамках задач физики очага землетрясения, однако также и прикладное значение в рамках задач по снижению сейсмических рисков, оценке уязвимости сейсмоопасных территорий и разработки методов сейсмического мониторинга. Будучи сильно неравновесными, процессы подготовки землетрясений находят отражение прежде всего в масштабно-инвариантных характеристиках сейсмичности. Вариации скейлинговых характеристик сейсмического процесса позволяют определять области подготовки сильных землетрясений и состояние материала литосферы в этих областях, а также исследовать тонкую структуру сейсмичности и проводить мониторинг физических процессов в очаговых зонах готовящихся сильных землетрясений. Актуальность исследования вариаций сейсмических распределений во времени методами скейлингового анализа определяется возможностью количественного описания процессов подготовки землетрясений, т.е. возможностью в определенном смысле измерять эти процессы, сравнивать между собой процессы подготовки независимых друг от друга землетрясений и определять критические значения измеряемых параметров. В фундаментальных задачах физики очага землетрясения это позволяет перейти к формализуемому анализу исследуемых процессов, их математическому и компьютерному моделированию, а также к поиску универсальности в законах развития катастрофических сценариев в сейсмогенерирующих системах разного тектонического происхождения. В практическом же приложении результаты сейсмического мониторинга приобретают конкретное физическое и - потенциально – прогностическое значение. Сегодня подобные проблемы недоступны для исследования другими методами. Описание задач, предлагаемых к решению: 1. При проведении палеосейсмологических исследований в горных областях планируется решение нижеследующих задач: а) исследования зон сейсмоактивных разломов и эпицентральных зон исторических и палеосейсмокатастроф с целью выявления сегментов дизъюнктивов, не активизированных при последних сейсмических событиях. б) параметризация сильных древних землетрясений (место, сила, время). в) определение повторяемости сейсмокатастроф, а также их латеральной миграции вдоль сейсмогенерирующих зон. г) установление приуроченности очагов сильных землетрясений к конкретным структурам земной коры, оценка их энергетического потенциала д) уточнение оценки сейсмической опасности для отдельных горных территорий Российской Федерации, а также среднеазиатских республик бывшего СССР и Китая 2. В ходе проведения исследований на Балтийском щите предполагается: а) На базе представительного каталога палеосейсмологических данных и параметров состава, структуры и морфологии конволютных структур провести анализ критических величин эпицентральной, местной сейсмической интенсивности и магнитуды при формировании ранее выделенных структурно-литологических типов конволюций; б) Разработать для Балтийского щита региональную сейсмическую шкалу на базе структурно-литологической типизации сейсмогенных конволюций в озерных комплексах, позволяющую по одному или по группам близкорасположенных разрезов с горизонтами конволюций, для которых определены состав и стратификация деформированных грунтов и проведена типизация, оценивать местную сейсмическую интенсивность. Основаниями для разработки такой шкалы послужат: 1) статистически значимые различия сейсмических параметров (в первую очередь – минимальных) при формировании выделяемых типов конволюций; 2) соответствие величин пороговых сейсмических параметров предложенному ряду устойчивости грунтов конволюций; в) Провести параметризацию палеоземлетрясений на основе новой шкалы и комплекса полевых и дистанционных литологических и геоморфологических исследований (выделение активизированных блоков и потенциальных сейсмогенерирующих разломов, обследование разрезов рыхлых отложений с сейсмитоподобными структурами, выявление потенциальных сейсмодислокаций, выраженных в рельефе), в том числе в предполагаемых наиболее геодинамически активных блоках Балтийского щита, а также определить сейсмический потенциал этих блоков (максимально возможную магнитуду). 3). При палеогеодинамических исследованиях сооружений Большого Кавказа и Тянь-Шаня, предполагается решить следующие задачи: а) Создание модели строения и развития западной части каледонской складчатости Таласского хребта (Северный Тянь-Шань), включая построение сбалансированной структуры чехла на основе не менее трех профилей. Будут уточнены важные фрагменты складчатой структуры имеющихся профилей путем составления участков более детальных профилей в поле и сбора материала по деформациям отдельных складок. Это позволит существенно повысить надежность имеющихся данных о большом (4-5 раз, K=L0/L1) сокращении всей структуры каледонской складчатости, построить модель строения и развития структуры коры и мантии этого региона, а также получить надежные данные о геодинамических механизмах формирования региона, необходимые для сравнительных исследований. б) Опытное создание модели строения части структуры герцинской складчатости Туркестанского хребта (Южный Тянь-Шань) путем построения сбалансированных профилей. Будет уточнена структура ряда блоков складчатости путем построения в поле участков более детальных профилей, а также будет собран материал по деформациям мелких складок. В задачу входит получение массива всех параметров для 30-40 структурных ячеек, который будет использован в целях факторного анализа и выявления геодинамических механизмов формирования этой структуры. в) Будет продолжено уточнение структуры осадочного чехла Большого Кавказа путем построения сбалансированных профилей в ряде дополнительных участков, в основном в Дагестане и в южном ограничении Юго-Восточного Кавказа с целью расширения массива данных для проведения факторного анализа. г) Будет уточняться характер неотектонических движений Большого Кавказа, включая малоизученный этап между складчатостью (около 15 млн лет) и формированием наиболее древней поверхности выравнивания (около 6 млн лет). Будут использованы цифровая модель рельефа и материалы космических снимков. Будет показана связь очагов крупных землетрясений со складчатой структурой, разломами на уровне кровли фундамента и с характером неотектонических движений. 4. По направлению исследований масштабной инвариантности сейсмических структур перед сильными землетрясениями планируется: а) Разработка алгоритмов и программного обеспечения для анализа сейсмических каталогов с целью определения вариаций двумерных (пространственных) мультифрактальных распределений сейсмичности во времени. б) Анализ данных сейсмических каталогов в эпицентральных областях сильных землетрясений с целью исследования процессов подготовки этих землетрясений во времени. в) Разработка алгоритмов сейсмического мониторинга процессов подготовки сильных землетрясений и количественного описания этих процессов методами теории мультифрактальных мер. Поиск прогностических признаков сильных землетрясений в вариациях масштабно-инвариантных характеристиках слабой сейсмичности и их физическая интерпретация.