«ФИЗИКА ЗЕМЛИ И ГЕОДИНАМИКА Допущено УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 020302 Геофизика Петропавловск – ...»

(третье равенство в (11.12)). Это для широтно и долготно ориентированных очагов больших землетрясений определяет постоянную:

«Элементарный» сейсмофокальный блок. В работе [Викулин, Сенюков, 1998] в результате анализа распределения афтершоков с М 5 для очага Кроноцкого, Камчатка 5.12.1997, М = 7,8 землетрясения аналогичным образом была получена оценка такой же величины, которая оказалась равной:

которая, как видим, оказалась близкой Llo и Lla. Очаг Кроноцкого землетрясения расположен в северо-восточной части Курило-Камчатской дуги, простирающейся примерно под углом 450 (что и отражено нижним индексом в (11.14)) к широте. Как видим, на основании (11.13) и (11.14) имеет место равенство:

которое, фактически, определяет константу, инвариантную к поворотам, и, следовательно, определяет природу сейсмического процесса как моментную.

Очаги больших землетрясений состоят из совокупностей субочагов, размеры каждого из которых, в среднем, составляют 200 (100 – 300) км [Геологическая…, 1989;

Ребецкий, Маринин, 2006; Daly, 1989; Geist, Childs, Scholl, 1988; Mogi, 1969]. Очаг Кроноцкого землетрясения имеет «простое» строение – он представлен одним сейсмофокальным блоком с протяженностью L450. Поэтому «элементарный»

сейсмофокальный блок L0 представляет собой инвариантную к поворотам относительно оси вращения Земли константу, по своей механической сути определяющей природу сейсмического процесса – моментный механизм процессов «накачки» напряжений в литосферу и их «сброса» в виде упругих сейсмических волн в тектонически активных поясах планеты.

По сути, гипотеза такого содержания была предложена А.В. Пейве в 1961 г. [Пейве, 1961]. Действительно, на основании анализа большого материала им было сформулировано положение о «самостоятельной движущей силе» геологических структур. И сделано это было на основании геологического материала за семь лет до механика Л.И. Седова, в 1968 г. сформулировавшего концепцию о собственном моменте количества движения конечного объема сплошной среды [Седов, 1973, с. 504-530], и за восемнадцать лет до геофизика М.А. Садовского, в 1979 г. предложившего концепцию блоковой геофизической среды [Садовский, 2004]. Поэтому сформулированный нами вывод о моментной природе геодинамического процесса следует рассматривать как подтверждение геомеханической концепции блоковой среды А.В. Пейве – Л.И. Седова – М.А. Садовского.

В соответствии с гипотезой М.А. Садовского элементарный сейсмофокальный блок L0 имеет структуру [Садовский, 2004], ячейки которой (сейсмические дыры, сейсмические затишья, зоны молчания и т.п.) в гипоцентральных областях форшоков и афтершоков магнитудного диапазона 5 М 7 имеют размеры 10 Li [км] 50. Именно в особенностях взаимодействия сейсмических дыр Li в очагах сильных фор-афтершоков и следует искать физическое объяснение зависимости II: M 2 ( LgV2 ), представленной на рис.

11.2.

Колебания Чандлера. Значения скоростей и частот «широтных» афтершоков Alo = a (первые равенства в (11.12)) с высокой (не менее двух-трехкратного среднеквадратичного отклонения: 95-98%) статистической значимостью отличаются от таких же «долготных» значений Ala = ala (вторые равенства в (11.12)). Это позволяет предположить, что интенсивность сейсмического процесса, протекающего в очаге сильнейшего землетрясения (форшоки + главный толчок + афтершоки), взаимосвязан с его ориентацией относительно географической широты или относительно оси вращения планеты. Новизна этого вывода определяется сформулированным нами положением о «собственной» моментной природе геодинамического процесса, существенно дополняющем и даже во многом «переворачивающем» наши представления о той «ведущей» роли, которую ротация планеты оказывает на тектонические процессы.

В рамках существующих в настоящее время представлений принято считать, что «триггерами» геодинамических процессов часто являются резкие изменения угловой скорости вращения Земли. Сформулированный выше вывод о «собственной» моментной природе геодинамического процесса позволяет предположить существование и обратного процесса, а именно: изменение скорости вращения Земли может быть вызвано тем или иным геодинамическим явлением. Доказательство этого было приведено нами ранее в работе [Викулин, Кролевец, 2001]. В этой работе в рамках волновой ротационной модели тектонического процесса, опирающейся на представления о движении блоков и плит под действием «собственных моментов», колебания Чандлера напрямую удалось связать с разной интенсивностью сейсмотектонического процесса, протекающего в пределах «долготного» Тихоокеанского и «широтного», экваториального Альпийско-Гималайского поясов, как целых. Другими словами, разность между «долготными» и «широтными»

коэффициентами в (11.12), по сути, определяет величину вызывающего колебания Чандлера момента, «прикладываемого» к планете разными по интенсивности Тихоокеанским и Альпийско-Гималайским сейсмотектоническими процессами.

Расщепление скорости «широтной» миграции фор-афтершоков. Для проверки влияния эффекта Доплера на процесс миграции землетрясений продолжим анализ представленных выше последовательностей сильных афтершоков в очагах последних сильнейших землетрясений планеты, очаги которых имели «широтную» и «долготную»

протяженности (табл. 11.1). Для этого каждая из совокупностей афтершоков разбивалась на две совокупности. В одну включались данные об афтершоках, эпицентры которых располагались к востоку (East-West, ew) [к югу, South-North, sn] от предыдущих по времени эпицентров для широтных [долготных] очагов, а в другую – к западу (West-East, we) [к северу, North-South, ns] для широтных [долготных] соответственно. Для каждой из совокупностей описанным выше способом определялись зависимости скоростей и частот от времени. Данные, характеризующие параметры этих зависимостей представлены табл.

11.2 и 11.3.

Из данных табл. 11.2 видно, что значения a sn,ns для «долготных» очагов не зависят от направления «движения» афтершоков a ns = a ns = -0,67±0,07 и равны alo= Alo = lo lo 0,67±0,09.

Из данных табл. 11.3 видно, что значения Awe,ew, определенные во всем анализируемом диапазоне магнитуд, в среднем, также не зависят от направления 0,90±0,12 и равны, согласно данным табл. 11.1, (ala)0 = -0,90±0,06 (Ala)0 = -0,93±0,08, в среднем, (ala)0 (Ala)0 -0,91±0,07. В то же время, как видно из данных табл. 3, для всех трех «широтных» очагов значения коэффициентов Awe монотонно уменьшаются с ростом магнитуд и при М 6,5, 7,0 достигают значений Awe = -1,11±0,03 и менее. Тем самым, «расщепление» значений коэффициентов при М 6,5-7,0 достигает значений: 1 = (Ala)0 la Awe 0,21±0,03.

Таблица 11.2. Значения параметров a sn, ns корреляционной зависимости, определяющих частоты миграции афтершоков в пределах «долготных» очагов землетрясений планеты с MW [Викулин, Викулина, 2007].

Магнитуда «Долготные» очаги землетрясений: север – юг (n-s) Магнитуда «Долготные» очаги землетрясений: юг – север (s-n) Таблица 11.3. Значения параметров Awe,ew корреляционной зависимости, определяющих скорости миграции афтершоков в пределах «широтных» очагов землетрясений планеты с MW [Викулин, Викулина, 2007].

Магнит- «Широтные» (lat, la) очаги землетрясений: с востока на запад(w-e) уда, МS, Андреяновские, Аляска, 1964, Амчитка, 1965, Магнит- «Широтные» (lat, la) очаги землетрясений: с запада на восток (e-w) уда, МS, Андреяновские, Аляска, 1964, Амчитка, 1965, Уменьшение значений Aew с ростом магнитуды, как видно из данных табл. 11.3, в среднем, статистически не значимо. При этом в диапазоне магнитуд 5,5 М 6,5-7,0 с ростом магнитуды имеет место достаточно устойчивое увеличение значений этого коэффициента для очага землетрясения 1957 г. Тенденция к увеличению значения коэффициента Aew имеет место и для Аляскинского землетрясения 1964 г. в области магнитуд 5,0 М 5,5. Как видим, «синтезированные» на основании двух наиболее сильных широтных Андреяновского 1957 и Аляскинского 1964 землетрясений данные определяют достаточно устойчивое и статистически значимое уменьшение значений коэффициента Aew во всем магнитудном диапазоне 5,0 М 7,0. При этом для магнитудного диапазона М 6,5, 7,0 справедливо равенство 2 = (Ala)0 - Aew -0,21±0,07.

Таким образом, полученные данные показывают, что для двух (из трех рассмотренных) наиболее сильных и протяженных широтно ориентированных очагов больших землетрясений экспериментально (experimental, ex) определенная величина расщепления составляет:

Полученное соотношение (11.16) показывает, что имеет место равенство между теоретической (11.9) и реально наблюдаемой (11.16) величинами:

что подтверждает наблюденное расщепление скоростей (частот) миграции афтершоков вдоль географической широты и позволяет объяснить его с помощью эффекта Доплера, связанного с вращением Земли.

Полученные для афтершоков данные подтверждаются имеющимися данными для форшоков. Действительно, «расщепление» форшокового коэффициента a lo для очага долготного Чилийского 1960 землетрясения статистически не значимо: asn = 0,73 ± 0, a lo = 0,88 ± 0,12. В то время как «расщепление» форшокового коэффициента в очаге широтного 1957 землетрясения: aew = 0,92 ± 0,04 < a la = 1,27 ± 0,10 < awe = 2.20 ± 0.34 еще более отчетливое, чем афтершокового.

Землетрясения и их очаги как квазичастицы. Выше были приведены данные, показывающие возможность существования эффекта «расщепления» значений скорости миграции и повторяемости афтершоков и форшоков в очагах широтных больших землетрясений и дано его объяснение в рамках эффекта Доплера, связанного с вращением планеты.

Следует отметить, что близкие, по сути, эффекты обнаруживают движущиеся атомы и молекулы и в «обычных» с общепринятой физической точки зрения телах.

Действительно, при высокой температуре и низкой плотности основной причиной расширения спектральных линий движущихся атомов газа является эффект Доплера [Цань, 1965, c. 522-524]. Тепловое движение приводит к тому, что у части атомов возникает составляющая скорости, направленная к наблюдателю, а у другой части атомов составляющая имеет противоположное направление. В результате спектральная линия, являющаяся суперпозицией линий, испускаемых многими атомами, вследствие эффекта Доплера расширяется [Вихман, 1974, c. 134-136].

«… допуская, что излучение можно рассматривать как газ из квантов, мы обязаны признать, что аналогия между газом из квантов и газом из молекул должна быть полной»

[Эйнштейн, 1966, с. 489].

Как видим, аналогия между потоком атомов и сейсмическим процессом, на которую более 40 лет тому назад обратил внимание Ю.В. Ризниченко [1985, c. 127-130], и на «спектральном» уровне может быть продолжена. В контексте настоящей работы аналогом теплового движения атомов могут являться «самосогласованные» волновые [Викулин, 2003; Vikulin, 2006] движения «элементарных» сейсмофокальных блоков L0 и слагающих их иерархических ячеек Li, расщепление спектральных линий движения которых и происходит вследствие эффекта Доплера, связанного с вращением планеты.

Землетрясения-дуплеты и пары землетрясений – закономерность Сейсмичность Средних Курильских островов. 15.11.2006 и 13.01.2007 с интервалом два месяца на Средних Курилах произошло два сильнейших землетрясения с М = 8,2 - 8,3, афтершоки которых неперекрываясь заполнили собой сейсмическую брешь, протягивающуюся от северо-восточной оконечности очага 7.09.1918, М = 8,2 (о.

Симушир) до юго-западной оконечности очага 1.05.1915, М = 8,3 (о. Шиашкотан). Очаги обоих землетрясений, соприкасаясь, были вытянуты вдоль дуги. Очаг первого из этих землетрясений располагался вблизи островов, второго - в районе оси глубоководного желоба. В течение всей истории инструментальных (конец XIX - начало ХХ в.) и макросейсмических (середина XVIII в.) сейсмологических наблюдений для района Средних Курил пара землетрясений c такими высокими значениями магнитуд не отмечалась [Бюллетень; Новый…, 1977; Earthquake…]. Более того, была достаточно распространенной точка зрения, согласно которой считалось, что в области Средних Курил землетрясения с М > 7,5 происходить не могут [Тараканов, Ким, Сухомлинова, 1977].

Противоположная точка зрения последовательно отстаивалась С.А. Федотовым [2005] и А.В. Викулиным [1989, 1990, 1992, 1996, 2003]. Они полагали, что район Средних Курил является «обычной» сейсмической брешью, в пределах которой могут и должны происходить землетрясения с магнитудами М = 8 и более. Согласно схемы долгосрочного прогноза, основанного на принципах миграции и повторяемости землетрясений, сильнейшее землетрясение с магнитудой М 7,6 и очагом в районе Средних Курил ожидалось в 2004 – 2013 гг. [Викулин, 1989, 1990, 1996]. И для таких прогнозов были достаточно веские основания. Действительно, согласно данных ряда авторов, землетрясение 29.06.1780 с очагом в районе Средних Курил было катастрофическим [Балакина, 1994; Кузин, Лобковский, Соловьева, 2001; Лаверов, Лаппо, Лобковский и др., 2006; Utsu, 1968], оно сопровождалось на о. Уруп сильными сотрясениями и цунами с высотой волны до 10-12 м [Саваренский, Тищенко, Святловский и др., 1958; Соловьев, 1978] и имело магнитуду М = 8,25 [Соловьев, 1978]. Этим данным не противоречит и значение магнитуды землетрясения 29.06.1780, приводимое в наиболее представительном для тех времен каталоге [Новый…, 1977]: М = 7,5 ± 1,0.

Существует (существовала?) и промежуточная точка зрения. Согласно ней район Средних Курил представляет собой «псевдо брешь, для которой период подготовки катастрофического землетрясения с М 7,75 на глубинах до 100 км не может уложиться в рамки сейсмического цикла (140 ± 60 лет по [Федотов, 2005])» [Кузин, Лобковский, Соловьева, 2001], и изучение свойств этой бреши требует проведения дальнейших специальных исследований [Лаверов, Лаппо, Лобковский и др., 2006]. В работе [Викулин, 2003, c. 65] показано, как в рамках ротационной волновой модели сейсмического процесса, в которой сейсмофокальная зона представляет собой однородный сейсмический пояс, в результате моментного взаимодействия блоков (очагов сильнейших землетрясений) могут быть сняты предположения о «псевдо бреши».

Обращает на себя внимание тот факт, согласно которому в 1780 г. в районе Средних Курил, возможно, произошло два сильнейших землетрясения, магнитуды которых могли достигать и даже превышать значение М = 8. Отмеченное выше землетрясение 29.06.1780 г. предварялось толчком 19 января, который, согласно [Новый…, 1977], имел М = 7,0±1,0. Землетрясение 19.01.1780 как сильный толчок ощущалось на Северных Курилах и Южной Камчатке и интенсивное цунами после него выбросило на берег судно, стоявшее в гавани на Камчатке [Саваренский, Тищенко, Святловский и др., 1958]. Эти данные позволяют предположить, что два сильнейших события, произошедшие в ноябре 2006 и январе 2007 гг., представляли собой характерную для района Средних Курил пару событий – два толчка через малое время при небольшом расстоянии L между их очагами.

Землетрясения – дуплеты. Землетрясения-дуплеты происходят не часто. Согласно опубликованным данным только в пределах Японии, Курил и Камчатки по данным за 1605 – 2007 гг. достаточно уверенно выделяется 12 таких дуплетов (см. №№ 1-12 табл.

11.4). Пример расположения очагов-дуплетов на примере Большого Камчатского землетрясения 4.11.1952, М = 8,5, МW = 9,0 (табл. 11.4, № 10) представлен на рис. 3.4б.

Такие землетрясения-дуплеты, очевидно, являются неслучайными событиями.

Таблица 11.4. Список японских (N = 1, 2, 6, 9), курильских (N = 7, 11 - 14) и камчатских (N = 3 - 5, 8, 10), М 8 толчков-дуплетов, очаги которых располагались в непосредственной близости друг от друга.

Примечание: - время между толчками-дуплетами, 1, 2 - размеры очагов в дуплете, 0 – общая протяженность макросейсмической области, затронутой толчками-дуплетами, L - расстояние между очагами в дуплете.

Действительно, времена между толчками в дуплете невелики. Они, согласно табл.

11.4 (№№ 1-12), в среднем, составляют = 3 мес ( min = 0, max = 2 года), что на три порядка по величине меньше характерного периода повторяемости землетрясений такой магнитуды в одном месте Т0 = 100 ± 50 лет [Викулин, 1992, 2003] или продолжительности сейсмического цикла 140 ± 60 лет по [Федотов, 2005] или Tt, sp 200 лет (см.

соотношения 11.2 и 11.3). Малы и расстояния между их очагами, которые, согласно табл.

11.4 (№№ 1-12), в среднем, равны:

величине, равной размеру одного очага землетрясения с М 8 (см. рис. 3.4б, на котором представлены данные о расположении очагов толчка-дуплета 1952 г. на Камчатке, табл.

11.4, N = 10). Данные, представленные в табл. 11.4, показывают, что такие дуплеты, как и «обычные» землетрясения, имеют тенденцию повторяться в одном месте. Например, события-дуплеты 1605, 1707, 1854 и 1944-1946 гг. - в районе желоба Нанкай (Япония), 17.10.1737 и 1952 гг. - на Южной Камчатке и 4.11-17.12.1737 и 1792 гг. - на юге и севере Камчатки.

Приведенные выше макросейсмические и цунами данные о землетрясениях 1780 г.

(табл. 11.4, № 13) показывают, что они вполне могли бы быть парой событий, по сути, близкой землетрясениям-дуплетам 2006-2007 гг. (табл. 11.4, № 12). Согласно данным Нового каталога [Новый…, 1977] к такому же ряду характерных для района Средних Курил землетрясений–дуплетов можно было бы отнести и землетрясения 1847 и 1853 гг.

(табл. 11.4, № 14).

Пары землетрясений. Список землетрясений–дуплетов без труда можно расширить в сторону увеличения расстояний между очагами землетрясений при такой же малой разности времен в паре. К такого рода очевидным парам событий, на которые много раз обращали внимание исследователи, могут быть отнесены следующие японо-курилокамчатские землетрясения, данные о которых представлены табл. 11.5.

Таблица 11.5. Список пар японских, курильских и камчатских землетрясений, произошедших через малые отрезки времени на больших эпицентральных расстояниях друг от друга.

Примечание: 1 - время между землетрясениями в паре, L – расстояние между очагами в паре.

Возникает вполне естественный вопрос: «А не являются ли пары землетрясений и землетрясения – дуплеты проявлением некого общего свойства сейсмического процесса?»

Один из возможных путей ответа на этот вопрос был обозначен в работах [Викулин, 1996, 2003, с. 64-65]. В работе [Викулин, 1996] были рассмотрены все (N = 39) происшедшие в 1899 – 1994 гг. сильнейшие (М 7,5 - 7,9, очаги которых имеют тенденцию не перекрывать друг друга в течение сейсмического цикла [Викулин, 1990, 1996, 2003]) землетрясения северо-западной окраины Тихого океана, включающей Японскую, Курило-Камчатскую и Алеутскую островные дуги. Каждому такому землетрясению в пределах всей окраины Тихого океана поставлено в соответствие так же сильнейшее землетрясение, которое произошло через небольшой (близкий ) интервал времени 1 = 3 мес, 1,min = 0, 1,max = 8,3 мес, при среднем интервале между Числа пар, как функция расстояния L между очагами в паре, оказались распределенными вполне закономерным образом (рис. 11.7). При малых L выделяется первый (нулевой) максимум, n0 = 5, определяющий характерный размер:

значение которого равно расстоянию между очагами в дуплете (11.17). Для n 100 = 80(74 85) % всех данных, выделяется достаточно четкая последовательность максимумов чисел ni = 11 (5+6), 4 (5), 3 (5), 3 (4), 2, 1. Эти максимумы чисел ni соответствуют парам землетрясений, очаги которых располагались друг от друга на расстояниях Li = 5000 ± 1000, 8000 9000, 12000 13000, 16000 17000, 19000 2000, 22000 23000 км соответственно (рис. 11.7).

Рис.11.7. Числа N землетрясений-дуплетов и пар землетрясений как функция расстояния L между Структура тихоокеанского сейсмического пояса. Был составлен (с участием Н.А.

Осиповой) каталог сильнейших тихоокеанских землетрясений 1570 – 2006 гг. с М 7,6, из которого были выбраны пары событий (n = 223) с временами в очагах 0,5 года.

Расстояния между землетрясениями в паре определялись в соответствии с методикой [Викулин, Водинчар, 2005]. Оказалось, что плотность распределения чисел расстояний между землетрясениями в паре на уровне значимости 0,01 отличается от равномерного.

При этом, спектр числа пар, как функции расстояния, имеет значимые максимумы, соответствующие длинам волн Lj = 19000-20000, 4000-5000, 2500-3000 и 1000-1200 км (рис. 11.8).

Полученные данные показывают, что группирование землетрясений в дуплеты и пары является неслучайным и отражает вполне определенные пространственновременные закономерности сейсмотектонического процесса. Между дуплетами и парами, как можно видеть из данных табл. 11.4 и 11.5 и [Викулин, 1996], нет существенной разницы. Данные, представленные в табл. 11.4 и 11.5, могут быть распространены на любые расстояния между очагами землетрясений в паре, включая и предельно большие, достигающие размеров, равных половине протяженности всего тихоокеанского сейсмического пояса [Викулин, 1996]. На основании этих данных числа дуплетов и пар, по сути, определяют «мгновенный» «портрет» тихоокеанского сейсмотектонического пояса. Структура такого портрета определяется набором значений Li,j, который, очевидно, может быть проинтерпретирован как совокупность стоячих волн с длинами, в соответствии с соотношениями (11.6) и (11.7) равным значению и кратными значениям L1, заключенным в пределах L1 = 2500 5000 км (рис. 11.7, 11.8).

Представляется, что пара сильных землетрясений 19.01 и 29.06.1780, скорее всего, является сильнейшими землетрясениями-дуплетами, очаги которых, как и очаги землетрясений 2006-2007, заполнили собой сейсмофокальный объем Средних Курил. Как видим, землетрясения-дуплеты 1780 и 2006-2007 гг., по сути, являются близкими южнокамчатским сильнейшим дуплетам 17.10.1737 и 1952 гг. (табл. 11.4).

Таким образом, значение L0 в (11.19) является характерным пространственным масштабом, который одновременно определяет особенности выделения упругой энергии и на «микроуровне» - в очагах землетрясений-дуплетов (11.17), и на «макроуровне» - в пределах всего тихоокеанского пояса (11.18). С другой стороны, значение L0 (11.19) оказалось близким значению L0 (11.15):

Рис. 11.8. Нормированная интенсивность Фурье-гармоник чисел пар землетрясений как функция волнового числа k = 1 / L. Данные на рисунке получены Г.М. Водинчаром.

Полученное соотношение (11.20) представляется таким равенством, которое, фактически, определяет пространственный масштаб «моментной» константы L0 и, следовательно, постоянной L0 - их зависимость от угловой скорости вращения Земли.

Ниже покажем, что это действительно так.

Согласно данным [Викулин, 1992] 29.07.1854 в районе Северных Курил между дуплетами 17.10.1737 и 1952 гг. произошло сильнейшее землетрясение, которое сопровождалось ощутимыми сотрясениями и сильным цунами [Новый…, 1997]. В этой связи, вполне возможно, что и землетрясение 21.06.1847 г. с М = 7,5 ± 1,0, а, возможно, и пара землетрясений 21.06.1847 и 11.1853 с М = 7,5 ± 1,0 (табл. 11.4, № 14) с очагами в районе Средних Курил, также являлись сильнейшими, своими очагами заполнившими сейсмофокальный объем Средних Курил. В таком случае значение повторяемости сильнейших дуплетов и пар землетрясений для района Средних Курил, равное 110 ± лет, было бы близким повторяемости сильнейших землетрясений Т0 для всей окраины Тихого океана [Викулин, 2003].

Физическая модель геологической среды. Геофизическая и геологическая среды являются блоковыми и/или блоково-плитовыми [Пейве, 1961; Садовский, 2004].

Физически это означает, что часть Земли, включающую земную кору, литосферу (и всю мантию), в принципе, нельзя рассматривать как сплошное твердое тело. В основном, по двум причинам. Во-первых, даже в отсутствие внешних сил нормальные и/или касательные напряжения в блоковой среде на границах блоков изменяются скачками и, тем самым, создают условия для «самопроизвольного» движения блоков относительно друг друга. Другими словами, блоковое тело способно деформироваться «само собой» без приложения внешних сил и потому, по определению, не может считаться твердым. Вовторых, блоковая среда не может быть разделена на достаточно малые части с тем, чтобы принятыми в механике твердого тела методами задачу движения всего тела можно было бы свести к задаче движения большого количества материальных точек.

Геофизическая (геологическая) среда, по определению, является вращающейся.

Значение и направление угловой скорости не зависят от выбора положения начала координат, к которому может быть отнесено вращение «эффективно твердого» тела.

Поэтому можно говорить об угловой скорости вращения такого тела без указания на это начало, что позволяет макроскопические по размерам геофизические блоки и плиты считать объемами с собственными моментами, а их совокупность, по сути - средой в смысле А.В. Пейве – Л.И. Седова – М.А. Садовского. Величины моментов блоков и плит в такой (блоковой вращающейся) среде, очевидно, не должны зависеть от их размеров.

Предпосылками для включения инерционных эффектов, связанных с вращением Земли, в перечень основных параметров, определяющих сейсмический (сейсмотектонический) процесс, являются следующие данные [Викулин, 2003, 2004;

Викулин, Иванчин, 1998].

1. Физическая составляющая. Во-первых, при тектоническом движении плиты друг относительно друга смещаются как упругие. Пропорциональная экспоненте от сдвигового напряжения, скорость пластического течения, как показывают данные экспериментов в физике твердого тела, в зонах столкновения плит при небольшом увеличении напряжения может изменяться на многие порядки по величине.

Во-вторых, зона локализации пластической деформации может не быть однородной. Экспериментальные данные показывают, что при пластической деформации образца некоторые его объемы без пластической деформации внутри могут поворачиваться как целые на многие десятки градусов. При этом «ротации для кристаллической решетки являются столь же типичными, как и турбулентное течение для жидкости» [Панин, Гиряев, Лихачев, 1984], сплошность образца не нарушается, средняя величина пластической деформации составляет несколько процентов, и повороты макрообъемов становятся энергетически более выгодными, чем равномерное деформирование всего образца.

В-третьих. Инерционные силы, приводящие к повороту (вращению) макрообъемов относятся к объемным силам, в отличие от упругих сил, которые являются поверхностными. Это означает, что при вращении блокового твердого тела напряжения, созданные внутри него в результате поворота его некоторых макрообъемов, не могут быть сброшены за счет пластической («температурной») деформации. Для релаксации таких напряжений весь образец необходимо соответствующим образом поворачивать как целое.

2. Геофизическая составляющая. Во-первых, сейсмофокальные зоны, в пределах которых осуществляется межплитовое пластическое течение, представляют собою тонкий слой, который имеет блоковое строение с размерами блоков до сотен километров. При таких размерах блоков - очагов сильнейших землетрясений инерционные эффекты в результате их поворотов, вызванных вращением Земли, могут быть значительными.

Во-вторых, геологическое строение островных дуг и континентальных окраин Тихого океана указывает на то, что блоки, слагающие верхнюю часть сейсмофокальной зоны Алеутской дуги (и сейсмофокального объема вблизи Эквадора), с конца плиоцена – плиоцена до настоящего времени, повернулись на углы, значения которых лежат в пределах 0 230 [Геологическая…, 1989; Daly, 1988; Geist, Childs, Scholl, 1988].

Поворот сейсмофокального блока (L 200 км) в результате происшедшего в его пределах катастрофического землетрясения 1.9.1923, М = 8,2 Канто (Япония), определен на основании данных инструментальных геодезических измерений. Поворот по часовой стрелке на 70 с ССВ 25-270 в верхнем плейстоцене на ССВ 18-200 в позднеледниковую эпоху Исландии (L 200 км), расположенной в рифтовой зоне Срединного Атлантического хребта, определен по изменению простирания линий трещинных извержений [Мелекесцев, 1979]. Микроплита Пасха (L 300 км), расположенная на стыке трех плит в центральной части Тихого океана «вращается между Восточным и Западным рифтами с довольно большой скоростью (примерно 150/млн лет) и уже повернулась почти на 900 со времени своего образования около 5 млн лет назад» [Международный, 2003, с.

56-57].

Суммируя все данные, приведенные выше и опубликованные в работах [Викулин, 2008а, б; Вихри…, 2004; Ротационные…, 2007], можно сделать вывод, что углы, на которые отдельно взятые блоки повернулись в течение последних миллионов лет, лежат в пределах:

при угловых скоростях их поворота, порядка:

В-третьих. Температура слагающей земную кору и литосферу среды, в пределах которой располагаются очаги землетрясений, в том числе очаги глубоких Н = 600-700 км южноамериканских М 8 землетрясений, достигает многих сотен градусов. При повторяемости сильнейших землетрясений одно событие в 100-200 лет (см. соотношения 11.2 и 11.3) накопление напряжений в очаге землетрясения «обычным» способом может быть затруднено. Инерционные же напряжения, которые могут возникнуть в блоковой среде вследствие вращения Земли, как отмечалось выше, не могут быть срелаксированы за счет пластической деформации.

В-четвертых, исследование механизмов очагов некоторых сильнейших землетрясений показало их плохое соответствие «обычной» модели - модели плоской бесконечной дислокации. Например, механизмы очагов Калифорнийского 1906, М = 8 и Аляскинского 1964, М = 8,3 землетрясений наилучшим образом согласуются с сейсмологическими и геодезическими данными в рамках модели винтовой дислокации [Shamsi, Stacy, 1969].

Как видим, данные из физики твердого тела и геофизические данные о зонах локализации очагов землетрясений показывают, что в сейсмических поясах Земли созданы условия, при которых слагающие их блоки поворачиваются.

Большое количество имеющегося геологического и геофизического материала прямо указывает на вращательный, крутильней и вихревой характер движения блоков, плит и других геологических структур планеты [Кац, Козлов, Полетаев и др., 1990, Вихри..., 2004;

Тверитинова, Викулин, 2005; Викулин, Тверитинова, 2007; Ротационные..., 2007; Vikulin, Tveritinova, 2008]. Для сравнения, в гидродинамике, как отмечалось выше, вихри – это «мышцы и жилы» [Сэффмэн, 2000, с. 7]. Важно, что многие геологи и геофизики сами отмечают «самостоятельный» [Слензак, 1972], «собственный» [Пейве, 1961], «с ненулевыми дивергенциями и вихрями» [Лукьянов, 1999] и «упругий» [Устинова, Вылцан, Устинов, 2005] характер таких движений, прямо связанных с вращением планеты [Стовас, 1975; Chao, Gross, 1995; Полетаев, 2004; Викулин, Тверитинова, 2007; Ротационные..., 2007]. Более того, именно наличие сильно выраженных нелинейных «неклассических» [Гольдин, 2003; Николаев, 2003;

Островский, 2005; Садовский, 2004] свойств позволяет горные породы рассматривать как среду с собственными источниками упругой энергии [Пономарев, 1987].

Таким образом, геологические и геофизические данные и данные физики твердого тела приводят нас к специфической задаче о поле упругих напряжений во вращающейся блоковой среде [Викулин, 1990,2003; Vikulin, 2006].

Задача об упругом поле блоковой геофизической среды. 1. Постановка задачи. Для блоковых геофизических нелинейных сред [Садовский, 1985, 2004; Гольдин, 2003;

Геофизический..., 2008; Островский, 2005] в рамках классической теории упругости с симметричным тензором напряжений [Ландау, Лифшиц, 2003] была поставлена и аналитически решена задача о поле напряжений во вращающемся с угловой скоростью твердом теле вокруг упругосвязанного с ним небольшого, поворачивающегося под действием внутренних источников макрообъема V [Викулин, 1990; Викулин, Иванчин, 1997, 1998; Vikulin, 2006].

Основная идея решения такой задачи заключается в том, что когда блок упруго сцеплен с окружающей его средой (матрицей), изменение за счет внутренних источников направления момента импульса макрообъема приводит к появлению вокруг него упругих напряжений, которые в силу законов сохранения имеют момент силы. Эта идея соответствует известному положению в теории вихрей [Сэффмэн, 2000, с. 17]: «завихренность пропорциональна моменту количества движения частиц».

Геологический блок находится под действием многочисленных геофизических полей, что, например, может привести к упорядочению движения как различных макрообъемов блока, так и вещества (флюидов, зарядов и др.) вдоль его границы. Поэтому смысл, который мы вкладываем в понятие «собственный момент блока» наиболее близок «собственному моменту количества движения конечного объема сплошной среды», по мнению Л.И. Седова [1973, с. 146-148, 504-530]. Такой наш подход к сейсмотектоническим задачам, когда упругое поле вокруг макрообъема (блока) вращающейся среды наследует его собственный момент (циркуляцию), в принципе отличается от подходов других авторов (они либо не учитывают вращения Земли [Садовский, 1985; Курленя, Опарин, 2000; Гольдин, 2003], либо учитывают формально, в рамках моментной теории упругости [Николаевский, 1995; Курленя, Опарин, 2000; Xie Xin-Sheng, 2004; Быков, 2005]). Отличие нашей ротационной модели от континуума Коссера, наиболее часто применяющегося для объяснения влияния ротации планеты на геофизические процессы, заключается в том, что блоки геофизической среды не просто имеют ротационные степени свободы, они имеют собственный момент, который в случае вращения среды и приводит к целому ряду интересных специфических следствий.

2. Упругое поле вокруг одного блока шаровой формы. Определялось поле упругих напряжений U, возникающее в бесконечной вращающейся с угловой скоростью среде вокруг блока шаровой формы радиуса R0, как решение уравнения упругого равновесия в области r R0 с нулевыми граничными условиями на бесконечности, с действующей на блок силой, равной нулю, и моментом силы, не зависимым от размера блока R0. Решение для момента силы упругого поля К, направленного перпендикулярно плоскости его поворота, величины упругой энергии поля W, поля смещений U и напряжений в сферической системе координат (r,, ) получено в виде [Викулин 2008а, б]:

Остальные компоненты напряжений равны нулю.

Второе с верху выражение в (11.23) можно переписать в виде:

R05 - момент инерции однородного с плотностью шара радиуса R0, W0 = I где I = - кинетическая энергия блока. Для «среднестатистического» ( 10 землетрясения с М 8 величина ротационной упругой энергии, созданной вокруг него, составит:

где полная величина кинетической энергии блока W0 равна:

Отметим, что значение «сейсмического к.п.д.» по разным оценкам, в среднем, составляет величину, близкую 10-4.

При параметрах модели: плотности = 3 г/см3, модуле сдвига среды G = 1011 Н/м2, угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси = 7.3 105 рад/с и размере блока R0 = 100 км, соответствующем очагу землетрясения с магнитудой М 8, из соотношений (11.23.1-4) получаем: U 10 м, 100 бар, W 1016 18 Дж, K 1028 30 дин·см, которые по порядку величины близки реально регистрируемым при землетрясениях с М 8 смещениям, сброшенным напряжениям, выделившейся упругой энергии и сейсмическому моменту соответственно. Все эти значения достигаются при угле поворота блока (очага землетрясения) U / R0 104 рад. При продолжительности сейсмического цикла (повторяемости сильнейших землетрясений в одном месте) 100-1000 лет для скорости поворота блока получаем механическую (модельную) оценку:

которая близка определенным инструментально скоростям поворота блоков и микроплит, приведенным выше (11.22).

Таким образом, предложенная модель накопления упругих напряжений вокруг одного поворачивающегося блока являются энергетически достаточно обоснованной.

3. Модель двух поворачивающихся шаровых блоков. Упругая энергия двух блоков равна:

где a и b – тензоры упругой деформации, создаваемые в результате поворота первого и второго блока соответственно, интегрирование проводится по всему объему тела. Первые два слагаемые в правой части в выражении для упругой энергии есть собственные упругие энергии, каждая из них вычисляется на основании (11.23.2). Третье слагаемое определяет выражение для энергии взаимодействия первого и второго блоков друг с другом:

Выражение для энергии взаимодействия Wint получаем в виде [Викулин 2008а, б;

Викулин, Иванчин, 1998]:

или где R01 и R02 характерные размеры первого и второго блоков, l – расстояние между их центрами, - угол между их моментами сил, W01( 02 ) = I 01( 02 ) 2 - «собственные» энергии первого (01) и второго (02) блоков, I 01( 02 ) - соответственно их моменты инерции.

Момент силы K int, обусловленный энергией взаимодействия, определяется путем дифференцирования выражения для Wint (11.27) по углу :

Момент K int для обоих блоков имеет одно и то же значение, но для разных блоков направлен в противоположные стороны. Момент силы (11.28) приложен со стороны упругого поля к поверхности каждого из блоков и направлен таким образом, чтобы уменьшить величину энергии взаимодействия Wint до минимума. Такой процесс минимизации энергии взаимодействия Wint в соответствии с соотношениями (11.27.1) равносилен минимизации «собственных» энергий и W01 и W02, что может произойти только в результате землетрясениядуплета или пары землетрясений с очагами, расположенными в пределах обоих взаимодействующих блоков. Другими словами, в рамках предложенной модели двух блоков землетрясение – процесс выделения упругой энергии, является результатом моментного взаимодействия блоков между собой.

Выше приведены данные о землетрясениях-дуплетах и парах землетрясений, которые показывают, что такие события являются не исключением, а, скорее, закономерностью сейсмического процесса. Другими словами, землетрясения-дуплеты и пары землетрясений можно считать доказательством возможности существования моментного взаимодействия.

Представляется, что только в рамках таких моментных представлений окажется возможным дать разумное объяснение тем многочисленным фактам вихревого и ротационного движения, которые приведены выше и о которых будет говориться в следующих главах настоящей книги.

Дальнодействие. Будем полагать блоки равновеликими. Тогда из (11.23.2) и (11.27) получаем:

где VS = G / и VR = R0 - скорость поперечной упругой волны и центробежная скорость соответственно. Из соотношения (11.29) видно, что инерционные моментные эффекты взаимодействия, связанные с поворотом блоков внутри вращающегося тела, становятся тем более существенными, чем с большей скоростью вращается тело и чем больше размер блока R0 или магнитуда землетрясения.

Отношение энергии взаимодействия Wint (11.27) к собственной энергии блока W (11.23.2) в случае равновеликих блоков определяется равенством:

Откуда видно, что максимальное (cos = 1) расстояние, на котором энергия взаимодействия Wint будет по порядку величины близка собственной энергии W блока ( = 1), определится из выражения:

в котором значение угла поворота блока было принято 104 рад.

Из полученного соотношения (11.31) видно, что упругие поля, создаваемые вокруг поворачивающихся внутри вращающегося тела блоков, распространяются на расстояния, протяженность которых на два – три порядка превышает размеры блоков, то есть такие ротационные упругие поля являются дальнодействующими. Другими словами, сейсмофокальный объем протягивающийся вдоль всей окраины Тихого океана можно считать совокупностью взаимодействующих между собой «элементарных» блоков с размерами R0 100 км, представляющих собой очаги сильнейших землетрясений с М 8, в которых периодически происходит выделение упругой энергии.

Физически ясно, что только такое свойство сейсмического процесса, как его дальнодействие, может лежать в основе статистически обоснованных эффектов удаленных форшоков и афтершоков.

Уравнение движения однородной цепочки взаимодействующих блоков (на примере окраины Тихого океана). Рассмотрим одномерную (длина цепочки много больше ее ширины) цепочку поворачивающихся взаимодействующих блоков, расположенную внутри твердого тела, вращающегося с угловой скоростью - аналог сейсмотектонического пояса планеты, например, сейсмофокальной зоны, протягивающейся вдоль окраины Тихого океана. Будем полагать, что все блоки равновелики и имеют форму шара радиуса R0.

Рассмотрим случай, когда все блоки в цепочке движутся равномерно. Тогда, в соответствии с полученными выше результатами, уравнение для движения блока в цепочке можно записать в виде:

где - как и прежде, угол, на который повернулся блок в результате подготовки землетрясения, I – его момент инерции, K1 - «собственный» момент силы поля упругих напряжений вокруг блока в результате его поворота, значение которого определяется из соотношения (11.23.1), K 2 - момент силы, отвечающий за взаимодействие рассматриваемого блока с остальными блоками цепочки.

Из самых общих соображений ясно, что величина момента K 2 должна быть пропорциональна как упругой энергии рассматриваемого блока, равной Vd 2 / dx 2, так и упругой энергии, соответствующей всем остальным блокам цепочки. В качестве последней выбираем величину, равную средней линейной плотности упругой энергии цепочки блоков w.

Здесь V = 4 / 3R0 - объем блока, х – координата вдоль цепочки. Таким образом, момент силы, отвечающий за взаимодействие рассматриваемого блока с другими блоками цепочки, можно записать в виде:

где - безразмерный коэффициент, характеризующий однородность цепочки. Для тихоокеанского пояса, являющегося достаточно однородным, примем = 1.

Окончательно уравнение движения (11.32) для блока с координатой х в момент времени t с учетом (11.23.1) и (11.33) в безразмерных координатах = k0 x, = c0 k0t можно записать в виде:

где = / 2. Волновое число k0 и скорость c0, характеризующие цепочку блоков сейсмический процесс, протекающий в цепочке, соответственно определяются из следующих соотношений:

Уравнение (11.34) известно как уравнение синус-Гордона (СГ).

Сильно нелинейные уравнения, в том числе СГ уравнение, в настоящее время достаточно широко используются при решении разного рода задач [Быков, 2000, 2005; Скотт, Чжу, Маклафлин, 1973; Проблемы…, 2003]. Отличительной особенностью полученного нами СГ уравнения является то обстоятельство, что определяемые нелинейными свойствами твердой геофизической среды постоянные k0 (11.35) и c0 (11.36) оказались зависимыми от угловой скорости вращения тела (Земли).

Свойства решений. Полученное СГ уравнение (11.34), как и любое другое синусГордона уравнение, имеет много решений. Среди них в технических, физических и геофизических приложениях часто встречаются решения в виде локализованных (уединенных) волн – солитонов (soliton) [Быков, 2000, 2005]. В длинной цепочке блоков, когда можно не учитывать влияние ее концов (какими являются и сейсмические пояса планеты, в том числе и тихоокеанское кольцо), возможны решения, получившие название экситонов (exiton) [Давыдов, 1982].

Качественная зависимость энергии возбуждения Е от скорости распространения V для солитоной (sol, I) и экситонов (ex, II) приведена на рис. 11.9.

Рис. 11.9. Волновые решения уравнения СГ: I - солитоны, II - экситоны, V0 – характерная скорость процесса как предельная скорость солитонного решения, E0 > 0 - минимальная энергия солитонноно возбуждения [Давыдов, 1982].

Зависимости для энергий возбуждения солитонов и экситонов, в соответствии с [Давыдов, 1982], удовлетворяют следующим условиям:

где V0 - характерная скорость процесса, протекающего в цепочке взаимодействующих блоков.

В квазилинейном приближении, когда процесс можно отобразить с помощью линеаризованного уравнения СГ, закон дисперсии для экситонных решений оказывается возможным аналитически записать в виде:

где и - частота и длина волны экситона соответственно, 0 - собственная частота поворотного движения блока, 0 - соответствующая ей длина волны.

Первой характерной особенностью закона дисперсии (11.38) является его связь с нелинейными свойствами цепочки блоков (геофизической среды, заполняющей сейсмофакальный объем и примыкающую к нему часть земной коры), а не с ее дискретной структурой.

Второй отличительной особенностью закона дисперсии (11.38) является то, что частота распространяющихся по цепочке блоков волн всегда выше 0. Физически очевидно, что частота 0 достигается при большой длине волны (в пределе ), когда все блоки цепочки движутся как единое целое, без ее деформации. Этот случай нулевого экситонного состояния соответствует экстраполяции экситонной зависимости Eex (V ) в (11.37) в область значений скорости Vex < V0 :

Характерная скорость процесса. По аналогии с обычными упругими волнами (случай тектонического приближения [Николаевский, 1996]), считая длину волны экситона 0 равной размеру сейсмофокального блока:

для значения характерной скорости волнового процесса в цепочки взаимодействующих блоков c0 получаем следующее теоретическое модельное выражение:

или при принятых выше параметрах модели:

Здесь VS = G / - поперечная скорость упругих волн, VR = R0 - центробежная скорость.

Соотношение численных значений «наклонов» глобальной (11.4) и локальной (11.6) зависимостей (рис. 3.4, I и II соответственно), описывающих миграцию очагов землетрясений (11.8), не противоречит такому же соотношению для теоретических «наклонов» (11.38) солитонной и экситонной зависимостей (рис. 11.8, I и II соответственно). Теоретическое модельное значение скорости c0 (11.42) равно «экспериментально» определенной (рис. 11.1, зависимость I) предельной скорости глобальной миграции очагов тихоокеанских землетрясений V1, max (11.5) и, тем самым, по смыслу, является характерной скоростью процесса V0 (рис. 11.8):

Все эти данные в совокупности позволяют экспериментально установленные и глобальную и локальную зависимости магнитуд землетрясений от скоростей миграции их очагов считать солитонным и экситонным решениями уравнения СГ, описывающего движение цепочки поворачивающихся геоблоков (11.32), (11.34) в смысле А.С. Давыдова [1982].

В качестве дополнительного подтверждения сформулированного вывода приведем следующие данные. В рамках предложенной модели удалось собственную частоту 0 (11.38) поворотного движения блока отождествить с частотой нутации полюса планеты, по сути, являющейся экситонной энергией E0, определяющей «нулевое» состояние (11.39). В рамках той же задачи было предсказано расщепление частоты нутации (Чандлера) на две частоты [Викулин, Кролевец, 2001; Vikulin, Krolevets, 2002]. И этому эффекту в рамках модели взаимодействующих блоков так же дано объяснение [Викулин, Викулина, 2008]: скорость миграции вдоль широты расщепляется на величину скорости Доплера, обусловленную вращением Земли вокруг своей оси, скорость миграции вдоль долготы – не расщепляется (см.

выше раздел, посвященный эффекту Доплера).

Характерную скорость процесса согласно соотношения (11.41) с точностью до численного множителя, можно представить в виде среднегеометрического произведения двух скоростей: центробежной VR и упругой VS. Отсюда и название модели, данное ей авторами [Викулин, Иванчин, 1997, 1998] – ротационно-упругая волновая модель.

Энергия сейсмического процесса. Итак, энергетические оценки подтвердили модель одного блока и, тем самым, доказали возможность единственного физического допущения модели – существования собственного момента у блока среды (геофизической среды). В рамках модели двух блоков нашло свое естественное объяснение свойство дальнодействия и такие связанные с ним явления, как землетрясения-дуплеты и пары землетрясений, удаленные форшоки и афтершоки, расщепление скорости миграции форшоков и афтершоков вдоль географической широты и нутации полюса Земли. И, как следствие такого последовательного подхода, в рамках модели цепочки блоков получено волновое описание сейсмического процесса. При этом для вращающихся блоковых сред было показано существование принципиально нового типа волн – ротационно-упругих волн, характерная скорость которых определяется ротационными свойствами слагающих ее блоков и упругостью среды (точнее упругими параметрами, определяющими сцепление блоков с матрицей).

Видим, что последовательное «усложнение» модели без ее внутреннего рассогласования приводит к «расширению ее возможностей». Это позволяет полученные аналитические решения для модели двух блоков применить к феноменологическому описанию цепочки блоков.

Энергию волнового движения в цепочке блоков можно оценить с помощью аналитически полученного выражения для энергии взаимодействия блоков Wint (11.27).

Полагаем, что землетрясения-дуплеты и/или пары землетрясений являются результатом предельного (cos = 1) взаимодействия, при котором моменты соответствующих таким событиям блоков (l = 2 R0, ( R0 / l ) = 1 / 8) пар блоков (как в случае пары землетрясений на Средних Курилах 15.11.2006 и 13.01.2007, табл. 11.4, № 10) и/или блоков-дуплетов (как в случае Большого Камчатского землетрясения-дуплета 4.11.1952, табл. 11.4, № 12, рис. 3.4б), расположенных «через один» (l = 4 R0, ( R0 / l )3 = 1 / 64), для энергии волнового движения в цепочке блоков на основании (11.25) и (11.27) получаем следующую оценку:

Полученная оценка (11.44), по сути, определяет энергию волнового сейсмотектонического процесса, протекающего в пределах геодинамически активных поясов (тихоокеанского кольца) планеты. Взаимодействие вследствие вращения Земли сейсмофокальных блоков друг с другом с энергией (11.44) приводит к их поворотам, что и сопровождается сильнейшими землетрясениями, при которых излучается упругая энергия примерно на восемь порядков по величине меньшая (11.24а) энергии сейсмотектонической волны (11.44).

Волновая природа вулканизма окраины Тихого океана Исходные данные. Сейсмичность и вулканизм, рассматриваемые как процессы планетарного масштаба, вне всякого сомнения, не просто взаимосвязаны. Действительно, подавляющая часть всех землетрясений планеты, в том числе все самые сильные из них, происходят в пределах тектонически активных поясов. Вблизи таких поясов расположены и самые активные вулканы планеты. Эти данные указывают на то, что причины, приводящие к землетрясениям и к извержениям вулканов, имеют общие генетические корни.

Поиску взаимосвязи между сейсмичностью и вулканизмом в пределах окраины Тихого океана и анализу такой взаимосвязи посвящено достаточно большое количество исследований.

Их обзор представлен в работах [Акманова, 2008; Викулин, 2003; Викулин, Водинчар, Мелекесцев и др., 2007; Мелекесцев и др., 2005]. Согласно этих обзоров, отсутствуют данные, которые бы однозначно указывали на существование взаимосвязи между сейсмическим и вулканическим процессами. Тем не менее, большинство исследователей склоняются к мысли о существовании такой взаимосвязи. Имеющиеся данные позволили сформулировать гипотезу о том, что сейсмичность и вулканизм в пределах окраины Тихого океана взаимосвязаны и такая взаимосвязь имеет не локальный, а региональный характер в том смысле, что взаимосвязаны не конкретные землетрясения и извержения вулканов, а их совокупности, рассматриваемые в пределах региона. Опубликовано большое количество исследований, в которых содержатся сведения о миграции вулканической активности. Согласно [Акманова, 2008], скорости миграции вулканической активности в пределах разных и вулканических отдельно взятых центров и целых регионов протяженностью до 104 км, рассматриваемых в пределах различных по продолжительности интервалов времени от 100 лет до 80 млн лет, по данным разных исследователей изменяются в достаточно широких пределах:

С целью изучения закономерностей вулканической активности и ее взаимосвязи с сейсмическим процессом была создана электронная база, включающая данные о землетрясениях и извержениях вулканов мира [Акманова, 2008; Викулин, Водинчар, Мелекесцев и др., 2007]. База вулканических извержений составлена в формате базы землетрясений и содержит следующие параметры: дата извержения (год, месяц, день), координаты вулкана (долгота и широта в градусах) и объем изверженного ювенильного материала W. В базе представлены все n = 6415 известные (датированные) извержения N = вулканов планеты за последние 12 тыс. лет с 9850 г. до н.э. по 2005 г. включительно.

В соответствии со шкалой, принятой в Smithsonian Institution [Simkin, Siebert, 1993], все извержения в базе классифицировались по величине W = 1, 2, 3, …, 7, значения которой соответствуют следующим объемам извергнутых при извержении ювенильных пород 104-5, 106, 107, …, 1011 м3 соответственно. Распределение чисел извержений в базе по их величинам W для разных по масштабу регионов от всего мира до отдельно взятого вулкана представлено в табл.

11.6 и на рис. 11.10. Из этих данных видно, что вулканические извержения, независимо от масштаба рассмотрения вулканического процесса, по своей величине распределены вполне закономерным образом: как звезды и землетрясения – чем событие сильнее, тем реже оно происходит.

Таблица 11.6. Значения углов наклонов графиков повторяемости извержений вулканов.

Ключевской Среднее значение угла наклона графика повторяемости извержений -0.5 ± 0. Данные о повторяемости вулканических извержений, вслед за [Токарев, 1987], позволяют, в принципе, ставить задачу об энергетической классификации вулканических извержений.

Наиболее активным вулканическим регионом планеты является окраина Тихого океана (табл. 11.6). Вдоль узкого вулканического пояса – тихоокеанского огненного кольца, расположены N = 503 вулкана - 83% всех вулканов планеты, извергавшиеся за последние тыс. лет n = 5498 раз (рис. 11.11 а). Из общего числа извержений вулканов планеты с W 5 и с W 6 на долю таких же по объему извержений тихоокеанских вулканов приходится 86% и 95% соответственно (рис. 11.11 б).

Данные о тихоокеанских вулканических извержениях с W 6 в 250 до н.э. – 1991 гг.

представлены табл. 11.7.

О периодичности вулканического процесса. Методом Фурье-анализа исследовалось распределение чисел вулканических извержений по временным интервалам между ними.

Оказалось, что по данным мирового каталога такое распределение содержит гармоническую составляющую, содержащую периоды 1600 и 2400 лет [Акманова, 2008].

Рис. 11.10. Распределение чисел вулканических извержений по их величинам W – графики повторяемости вулканических извержений, построенные по данным на различных масштабных уровнях:

вся планета в целом (а), окраина Тихого океана (б), Камчатка (в) и Ключевской вулкан на Камчатке (г).

Характеристика каждой выборки данных приведена в табл. 11.6.

С целью выявления периодов меньшей продолжительности исследовалось распределение чисел вулканических извержений аналогично тому, как это делалось для землетрясений (см. главу 3, раздел «О повторяемости землетрясений»): с разбиением всего (за 12 тыс. лет) и каждой из его половин (по 6 тыс. лет каждая) каталога вулканических извержений на различные выборки событий: планета в целом, Тихоокеанские извержения и извержения других регионов, Восточная и Западная окраины Тихого океана. Анализ показал, что выявленные значения периодов вулканического процесса заключены в широком диапазоне от 170 до 2700 лет. Периоды продолжительностей, меньших 170 лет, очевидно, вследствие малочисленности исходных данных, выявить не удалось.

Исходные данные и первичный анализ был выполнен студентами четвертого курса КамчатГТУ кафедры Информатики во время выполнения курсовой работы в ИВиС ДВО РАН летом 2008 г. За что автор выражает им признательность.

И числа выявленных периодов и их значения для каждой выборки оказались различными. Однако все выборки содержат все три, два или один из трех периодов, продолжительности которых заключены в следующих диапазонах:

Приведенные в табл. 11.7 данные показывают, что выявленные статистическим анализом периоды действительно наблюдаются. Так, с интервалом по продолжительности близким 2T3, извергался вулкан Кракатау в 416 и 1883 гг., T = 1402 лет (табл. 11.7, №№9, 26). Примерно через такие же интервалы извергались рядом расположенные вулканы Амбрим в 50 г. и Кувае в 1452 г., T = 1497 лет, Новые Гибриды (табл. 11.7, №№ 3, 20), и вулканы Кагуяк в 415 г. и Новарупта (Катмай) в 1912 г., T = 1497 лет на Аляске (табл. 11.7, №№ 8, 27). Интервал между извержениями рядом расположенных камчатских вулканов Ксудач в г. и Опала в 610 г. составил T = 370 лет T2.

Таблица 11.7. Данные об извержениях c W 6 тихоокеанских вулканах в 250 до н.э. – гг. [Викулин, Водинчар, Мелекесцев и др., 2007; Гущенко, 1979; Simkin, Siebert, 1993] Примечание: «-» южная широта и западная долгота вулкана, W – величина извержения.

Полученные данные показывают, что и структура гармонической составляющей и значения характерных периодов вулканического процесса, по сути, повторяют такие же параметры сейсмического процесса: выявленные кратные друг другу вулканические периоды (11.46.1), (11.46.2) и (11.46.3) оказались близкими сейсмическим периодам (3.22.2), (3.22.3) и (3.22.4) соответственно.

Как видим, вулканический и сейсмический процессы имеют много общих и даже тождественных свойств, по сути - волновых. Действительно. Вулканический процесс, как и сейсмический, является планетарным процессом и содержит гармоническую составляющую с кратными периодами. Вулканические извержения, как и землетрясения, по своей величине (энергии) распределены вполне закономерно - в соответствии с однотипными графиками повторяемости. Тихоокеанский вулканический пояс – огненное кольцо, как и тихоокеанский сейсмический пояс, является наиболее активным поясом планеты. Вулканический и сейсмический тихоокеанские пояса расположены параллельно друг другу на всем своем протяжении, при этом на западном сегменте окраины «корни» вулканов «прошивают»

сейсмофокальную зону на глубинах около 150 км. Скорости миграции вулканической активности (11.45) расположены в том же диапазоне значений, что и скорости миграции землетрясений (рис. 11.2, соотношения (11.4) – (11.7)).

Все приведенные сейсмические и вулканические данные свидетельствуют не просто о наличии некоторых общих свойств у сейсмического и вулканического процессов. Эти данные по своему физическому содержанию вполне определенно указывают на существование единого энергетического источника для вулканического и сейсмического процессов, протекающих в пределах окраины Тихого океана. При этом вывод о едином источнике становится все более очевидным при переходе к рассмотрению совокупностей, содержащих все более сильные вулканические и сейсмические события. Например, извержения-«погодки» вулканов Кагуяк в 415 г. на Аляске и Кракатау в 416 г. в Индонезии (табл. 11.7, №№ 8, 9), отстоящих друг от друга примерно на 15·103 км, по аналогии с сильнейшими сейсмическими событиями (см.

предыдущие разделы этой части), можно считать парой извержений.

Таким образом, можно ожидать, что наиболее сильные вулканические извержения, как и сильнейшие землетрясения, мигрируют вдоль окраины Тихого океана по часовой стрелке со скоростями, близкими по величине скоростям миграции сильнейших землетрясений.

Миграция вулканических извержений вдоль окраины Тихого океана. Данные об извержениях с W 6 (объемом извергнутого материала 10 км3 и более) тихоокеанских вулканов за интервал 250 до н.э. – 1991 гг. приведены в табл. 11.7; их расположение представлено на рис. 11.11. Видно, что общая протяженность линии, вдоль которой сосредоточены тихоокеанские вулканы, от крайнего на западе вулкана Бак Айленд (Антарктика) до крайнего на востоке вулкана Десепшен (Южная Америка), составляет L = 45400 км (рис. 11.11 а). Протяженность линии, вдоль которой расположены вулканы, извергавшиеся с W 6, от вулкана Таупо, Новая Зеландия (табл. 11.7, № 6) до вулкана Сьерро Азул, Чили (табл. 11.7, № 29) составляет 41400 км (рис. 11.11 б).

Исследование свойств распределения в пространстве и во времени вулканических извержений с W 6 проводилось на плоскости с осями расстояние вдоль окраины L – время извержения t. Данные, приведенные на рис. 11.12, показывают, что все вулканические извержения (93%, 28 из 30) группируются вдоль двух достаточно узких областей (I, II) примерно параллельных друг другу - скорости миграции V1, 2 вдоль которых примерно равны между собой:

VI 7,2 ± 4,0 км/год, VII 4,3 ± 2,0 км/год, V (VI + VII ) 5 ± 2 км/год. (11.47) Продолжительность характерного периода T4 такой миграции вулканических извержений вдоль окраины Тихого океана определяется из очевидного равенства:

где L = 4,5 104 км – протяженность тихоокеанского огненного кольца. Ясно, что в случае, если возможна миграция вулканических извержений с другой скоростью, скажем со скоростью a, то в рамках периодического вулканического процесса характерный период Ta также должен соответствовать уравнению (11.48):

Рис. 11.11. Вулканическая активность окраины Тихого океана за последние 12 тыс. лет. а – вулканы с извержениями 1 W 7, б – вулканы, извергавшиеся с W 6. 1 – вулканы, хотя бы один раз извергавшиеся с W 1 ; 2, 3 – вулканы, извергавшиеся с W 6 в 9850 – 251 гг. до н.э. и в 250 до н.э. – 1991 гг. соответственно, i – номер вулканического извержения согласно данным табл. 11.7; 4 – линия, вдоль которой определялась координата L вулканических извержений, градация расстояний соответствует 5·103 км.

Рис. 11.12. Расположение тихоокеанских вулканов с W 6 извержениями на плоскости с осями L - расстояние вдоль окраины, t – время. Пустыми кружками обозначены извержения (№№ 9, 28), данные о которых не использовались при определении зависимостей I и II (11.47). Цифры соответствуют номерам вулканических извержений в табл. 11.7.

Анализ показывает, что миграция тихоокеанских вулканических извержений с W 6 со скоростями, отличными от (11.47) возможна. Пример такой миграции представлен на рис.

11.13. Из данных этого рисунка видно, что все 30 вулканических тихоокеанских извержений с W 6 в течение последних 2250 лет оказывается возможным разместить вдоль таких цепочек, скорости миграции а вдоль которых и характерный период Ta удовлетворяют соотношению (11.49):

Рис. 11.13. Пример «быстрой» миграции вулканических извержений в пределах окраины Тихого океана со скоростью около 60 км/год. 1 – вулканические извержения, 2 – эпицентры землетрясений с M W 8,8, 3 – линии миграции, определенные методом наименьших квадратов; цифрами обозначены номера миграционных цепочек, параметры которых приведены в табл. 11. Действительно, как следует из данных табл. 11.8 среднеквадратичный разброс каждого из этих значений невелик и составляет не более 15-16%, что может служить доказательством миграции со скоростью а.

Таблица 11.8. Параметры цепочек «быстрой» миграции вулканических извержений в пределах окраины Тихого океана с учетом данных о землетрясениях с M W 8,8.

Примечание: p – порядковый номер цепочек мигрирующих вулканических извержений, представленных на рис. 11.13; k – количество извержений вулканов и эпицентров землетрясений в цепочке мигрирующих событий; а – значение “угла наклона” цепочки – скорости миграции; Tа – интервалы времени между миграционными цепочками, определенные по их “центральным” частям на уровне L/2 22500 км.

Близость периодов указывает на то, что «быстрый» процесс миграции, представленный на рис. 11.13, по сути, является суперпозицией «медленной» миграции (11.47) и повторяемости извержений с периодом T2 (11.42.2).

О связи вулканизма и сейсмичности. Полученные оценки (11.46) - (11.51) могут рассматриваться как подтверждение вывода о волновой природе вулканического процесса в пределах окраины Тихого океана, сформулированного в работе [Викулин, 2003].

Значение скорости миграции вулканических извержений (11.50) по порядку величины совпадает со скоростью миграции сильнейших тихоокеанских землетрясений (соотношение (11.5), рис. 11.2). На рис. 11.13 нанесены эпицентры наиболее сильных ( M W 8,8) тихоокеанских землетрясений 1615-1964 гг., которые, как видно из рисунка, достаточно хорошо «вписываются» в процесс миграции вулканических извержений. Сильнейшее землетрясение 7.05.1986, М = 7,7 с очагом в районе Крысьих островов, предварявшееся цепочкой мигрирующих вдоль алеутской дуги извержений вулканов, являвшихся, по сути, форшоковым явлением, отмечено в работе [Sauers, 1986].

Предельные по силе и интенсивности сейсмо-вулканические дуплеты отмечались на планете неоднократно. Два из них отмечены в конце XIX – начале ХХ вв. на Аляске и Камчатке. Так в заливе Якутат 6-10.09.1899 произошла серия из четырех сильнейших землетрясений с М = 8,3; 7,8; 8,6; 8,3, а в июне 1912 в результате извержения вулкана Новарупта (Катмай) на Аляске (табл. 11.7, № 27) было выброшено 16 км3 пород. На юге Камчатки 25-27.06.1904 произошло три сильнейших землетрясения с М = 8,0; 8,1; 7,9 [Гусев, Шумилина, 2004], а в марте 1907 в результате извержения вулкана Ксудач было выброшено 1, – 2 км3 пород, W = 5 [Мелекесцев, Сулержицкий, 1987].

Однако наиболее отчетливо тесная взаимосвязь сейсмичности и вулканизма проявилась в результате природной катастрофы 1737 – 1742 гг. на Камчатке [Мелекесцев и др., 2005, с. 553В течение этого периода извержения происходили вдоль всей ( 670 км) Восточной вулканической зоны Камчатки и в Срединном хребте. Извергались или находились в стадии повышенной активности, как минимум, 15 вулканов. Суммарный объем продуктов извержений только пяти вулканов, для которых выполнены расчеты, составил около 1 км3 (W 5 ) [Викулин, Водинчар, Мелекесцев и др., 2007].

В начале этого периода в 1737 г. имела место серия сильнейших с МW = 9,2; 7,8; 8, [Гусев, Шумилина, 2004] землетрясений, очаги которых «охватили» участок тихоокеанского побережья протяженностью около 1000 км от Северных Курильских островов до УстьКамчатска. Самое сильное их них, произошедшее 17.10.1737, сопровождалось сильнейшими (до 2-4 м) деформациями береговой линии на протяжении 35 км в районе г. ПетропавловскаКамчатского и цунами с высотою заплеска до 60 м. Сильные вулканические землетрясения с магнитудами до М = 7 сопровождали отмеченные извержения вулканов.

Помимо значительных деформаций земной поверхности и цунами, еще одним следствием происшедших катастрофических землетрясений была исключительно высокая деятельность гидротерм на всей Камчатке.

Описанный интенсивный сейсмо-вулканический процесс на Камчатке в 1737 – 1742 гг.

И.В. Мелекесцевым был отмечен как «региональное «согласие» между вулканизмом и сейсмичностью» [Мелекесцев и др., 2005, с. 562].

Корреляция сильнейших вулканических и сейсмических событий, иллюстрируемая данными на рис. 11.13, показывает, что такое «согласие» сейсмичности и вулканизма, повидимому, имело место и для других окраин Тихого океана.

Все эти данные позволяют усилить сформулированный выше вывод о волновой природе вулканического процесса. А именно: волны миграции сейсмической и вулканической активности являются, по сути, проявлениями в разных геофизических полях единого сейсмовулканического волнового процесса, протекающего в пределах тихоокеанского геодинамического пояса.

О вращательном движении тектонических плит. Многочисленные примеры тектонического вращательного движения отдельно взятых блоков (рис. 10.2 - 10.5) и их совокупностей (рис. 11.1) приведены в главе 10. Примеры поворотов сейсмофокальных блоков (сейсмотектоническое вращение) и микроплит приведены в разделе «Ротационноупругие волны». Имеются данные и о вращательном движении протяженных тектонических плит и платформ.

Интересные данные о вращательном движении самой большой (с характерным «радиусом», измеряемым вдоль поверхности Земли R 104 км) на планете Тихоокеанской плиты приведены в [Маслов, 1996]. Согласно А. Такеучи [Takeuchi, 1985, 1986], с середины олигоцена по настоящее время имели место пять перестроек регионального поля напряжений, которые характеризовались изменениями его величины и ориентации (рис. 11.14). Периодам 30-23, 16-13, 6-0 млн лет отвечает субширотное сжатие (Р);

периодам 22-17, 12-7 млн лет - субширотное растяжение (Т). На этом же рисунке приведена кривая угловых осцилляций вектора скорости Тихоокеанской плиты, полученная в работе [Jackson, Shaw, Bargar, 1975]. В этой же работе показано, что вектор движения Тихоокеанской плиты, определяемый простиранием Гавайской вулканической цепи (составляющее примерно 700 с направлением на север), испытывает периодические повороты по и против часовой стрелки. В результате, Тихоокеанская плита совершает знакопеременные вращательные движения с центром в Гавайской горячей точке.

Амплитуда угла вращения по [Takeuchi, 1986] составляет примерно 100, что на радиусе, соединяющем о. Гонолулу с Тихоокеанским подвижным поясом, равносильно смещениям до нескольких сотен километров [Маслов, 1996].

Рис. 11.14. Изменение регионального поля напряжений о. Хонсю во времени по [Маслов, 1996]. Р, Т – девиаторное сжатие и растяжение соответственно. Приведена кривая угловых осцилляций вектора скорости Тихоокеанской плиты по [Jackson, Shaw, Bargar, 1975]. Вертикальная штриховка на графике указывает на кульминационные моменты эпизодов вращения по часовой стрелке, фиксируемые фазами изменения тектонических напряжений в пределах Тихоокеанского пояса [Тверитинова, Викулин, 2005].

Убедительные комплексные геолого-геофизические данные о вращении Микроплиты Пасха (R 200 км, 250 ю. ш.), расположенной на гребне ВосточноТихоокеанского поднятия между плитами Наска, на западе, Пасифик, на востоке, приведены в [Международный…, 2003, с. 56]. «Вихревой» характер вращательного движения этой микроплиты отчетливо прослеживается на тектонической схеме, построенной по механизмам очагов землетрясений, данным батиметрической карты и карты остаточных аномалий магнитного поля и аномалий силы тяжести в свободном воздухе. Микроплита вращается против часовой стрелки со «скоростью около 150/млн лет и уже повернулась почти на 900 со времени своего образования». Следы вихревых движений отчетливо проявляются на батиметрической карте и карте аномального магнитного поля микроплиты Хуан-Фернандос (R 150-200 км, 330 ю.ш.), которая расположена на гребне Восточно-Тихоокеанского поднятия на 500 км южнее плиты Пасха на стыке трех плит Наска, на западе, Пасифик, на востоке, и Антарктической, на югозападе [Международный…, 2003, с. 57].

На вращение Исландии (R 100 км) по часовой стрелке со скоростью 70(±2)/10- тыс лет указывает изменение ориентировки доледниковых и послеледниковых зон трещинных извержений в Южной части острова [Мелекесцев, 1979, 2004]. Вихревые складки (R 100 км) Генуя (против часовой стрелки) и Дунай (по часовой стрелке), расположенные в пределах горных дуг Альпийской системы, отмечены в [Ван Беммелен, 1991].

Примеры поворотов Восточно-Европейской платформы (R 1.2·103 км) против часовой стрелки в ордовике и триасе, Сибирской платформы (R 1.5·103 км) по часовой стрелке в триасе, юре и мелу, Омолонского массива (R 150 км) по отношению к Сибири, наоборот, против часовой стрелки с конца юры до начала раннего мела, и вращений «отщепов» террейна Горного Крыма (R 70-100 км) на 150 против часовой стрелки в титонское время, восточного крыла северной части Левантской зоны (R 400 км) по часовой стрелке в плиоцен-четвертичное время, приведены в работе [Полетаев, 2005]. При этом для докембрия установлено «существование…вихревых систем литосферы, объединяющих в качестве своих элементов различные структуры земной коры и верхней мантии…размеры их…до 10-12 тыс. км в диаметре (Rmax (5-6)·103 км) и в виде зон глубинных разломов они проникают на глубину до 700 км и более» [Слензак, 1972, с. 4].

Как видим, вращательное и вихревое движение тектонических плит, платформ и массивов разных пространственных масштабов имеет достаточно общий характер, наблюдается в течение разных геологических эпох и затрагивает практически всю верхнюю мантию.

На вращение Индийской плиты (R 4·103 км) убедительно указывают данные по миграции очагов землетрясений как Австралийского материка [Викулин, 1994], так и сейсмического пояса, протягивающегося вдоль Океании в сторону Гималаи [Mogi, 1968], в пределах которого 26.12.2004 произошло землетрясение с МW 9 и катастрофическое цунами. Миграция очагов землетрясений вдоль всей окраины Тихого океана и отдельно взятых островных дуг и континентальных окраин - явление достаточно широко известное, оно, после пионерских работ Р.З. Тараканова [1961], С. Дуды [Duda, 1963] и К. Моги [Mogi, 1968], отмечалось многими и многими исследователями [Викулин, 2001, 2003, 2008а, б; Осипова, 2008]. Более того, эффект миграции землетрясений установлен для всех сейсмически активных поясов, и показано, что он является характерным свойством планетарного сейсмического процесса [Викулин, 2008а, б]. По этой причине эффект миграции очагов землетрясений, несомненно, должен быть связан с механизмом образования смещений вдоль границ плит. Согласно [Маслов, 1996], в масштабах геологического времени землетрясения, многократно обегая Тихий океан, в результате накопления остаточных деформаций могут обеспечить наблюдаемую амплитуду смещения, которая, как отмечалось выше, составляет несколько сот километров. Именно по этой причине циклическая миграция очагов землетрясений может и сопровождать смещение всего Тихоокеанского сегмента, и в определенной степени его обеспечивать.

Полная подборка данных о миграции тихоокеанских землетрясений представлена в [Викулин, 2003; Осипова, 2008]. Оказалось, что вся совокупность этих данных может быть интерпретирована в виде солитонных (soliton, S) и экситонных (exciton, E) решений «сейсмического» модельного нелинейного уравнения син-Гордона, волновые свойства которого обусловлены ротацией планеты [Викулин, 2008а, б; Осипова, 2008]. При этом энергии волновых миграционных решений Е и величины их скоростей V оказались взаимосвязанными в рамках типичных для таких «геофизических» [Быков, 2000, 2005;

Bykov, 2008] нелинейных [Давыдов, 1982; Николаевский, 2008]) уравнений (рис. 11.2, соотношения (11.37), (11.41) – (11.43)).

Миграция землетрясений является характерным свойством сейсмического процесса, протекающего в пределах всех сейсмических поясов планеты [Викулин, 2008а, б; Mogi, 1968]. Поэтому волновые ротационно обусловленные решения (11.41) и (11.42), установленные для тихоокеанского пояса, должны быть характерными для границ всех тектонических плит.

Энергия тектонического процесса. Энергия тектонического процесса, очевидно, определяется (массами) размерами L плит (и блоков) и скоростями V их движения. Из самых общих соображений следует, что существование зависимости L(V) является принципиальным моментом, по сути, определяющим физику механизма перемещения тектонических плит вдоль поверхности Земли. Действительно, в случае существования зависимости между такими (вообще говоря, векторными) величинами, однозначно определяющими величины энергий движущихся плит, появляются все основания для предположения о моментной природе тектонического процесса, протекающего на вращающейся планете.

В такой плоскости вопрос об энергии тектонического процесса был поставлен в работах [Викулин, Тверитинова, 2007; Тверитинова, Викулин, 2005; Vikulin, Tveritinova, 2008]. В неявном виде анализ особенностей проявления тектонической энергии проводился. Действительно, во-первых, в настоящий момент вопрос о существовании зависимости L(V) является проблематичным: имеются аргументы как против [Кукал, 1987], так и за [Ле Пишон, 1974; Морган, 1974]. Во-вторых, аргументом в пользу моментной природы тектонического процесса на Земле, на наш взгляд, является установленная корреляция между «средним полярным расстоянием плит» и скоростями субдукции [Жарков, 1983; Forsyt, Uyeda, 1975] и спрединга [Жарков, 1983; Морган, 1974].

Анализ полученных и собранных Т.Ю. Тверитиновой данных о размерах плит и скоростях их движения вдоль границ за последние 150 млн лет позволил получить следующие результаты (Викулин, Тверитинова, 2004). Во-первых, по совокупности всех (N=61) имеющихся в нашем распоряжении данных о протяженностях зон и скоростях субдукции (табл. 11.9, N1 = 12; табл. 11.10, N2 = 17), рифтинга и спрединга (табл. 11.11; N = 5; табл. 11.12; N4 = 24; табл. 11.13; N5 = 3) в их пределах, статистически значимая зависимость L(V) не выявляется: поле экспериментальных точек на плоскости с осями L-V в диапазонах размеров 650 < L [км] < 18000 и скоростей 5 < V [мм/год] < 112 равномерно заполняет площадку примерно круговой формы (рис. 11.15а). Во-вторых, анализ только данных о скоростях рифтинга и спрединга (РС-данные), представленных табл. 11.11 и 11.12 (N=29) и на рис. 11.15б, позволяет достаточно уверенно выявить следующую статистически значимую зависимость:

Lg L1 [км] (±0.33) =(0.43±0.15)·LgV1 [мм/год] + (3.17±0.26). (11.52) В-третьих, по достаточно представительным (с числом данных 4 и более: строки 2-5 в табл. 11.11 и столбцы в 2-4 табл. 11.12) совокупностям РС-данных, представленных данными в пределах меньших по продолжительности интервалов, определяются близкие друг другу зависимости (табл. 11.14):

При этом отклонение представленных столбцами 6 и 7 табл. 11.12 данных от средней зависимости (11.53) не превышает ее дисперсии. В-четвертых, статистически значимая зависимость LgL(LgV) только для «субдукционных» (С) данных (N = 32, табл. 11.9, 11.10, 11.13) не выявляется (рис. 11.15в). Определение всех зависимостей LgL(LgV), представленных на рис. 11.15 и в табл. 11.14, проводилось методом наименьших квадратов.

Проведенный анализ данных о протяженностях рифтинг-спрединговых зон и скоростях движения границ плит в их пределах указывает на существование двух механизмов с характерными временами около 150 (144-163) млн лет для (11.52) и примерно 20 (5-33) млн лет для (11.53).

Таблица 11.9. Значения скоростей субдукции [Кукал, 1987, с. 41].

Примечание. Значение в скобках – определение длины зоны, принятое в расчетах авторами [Тверитинова, Викулин, 2005].

Отметим, что корреляционная зависимость LgL LgV, близкая соотношению (11.53), была получена в работах [Айзекс, Оливер, Сайкс, 1974; Жарков, 1983; Морган, 1974] для процессов как спрединга, так и субдукции. Форма («вытянутость») и минимаксные значения «субдукционной» (рис. 11.15в) и «рифтинг-спрединговой» (рис.

11.15б) областей расположения исходных точек являются близкими. Отличаются эти области разными плотностями точек: РС-данные распределены по всей области достаточно равномерно, в то время как С-данные с большей плотностью сосредоточены в области предельно больших значений протяженностей зон. Представляется, что участки зон субдукции малой (1000 - 2000 км и менее) протяженности исследованы недостаточно полно, в результате чего для них имеет место искусственный «дефицит» данных. Другими словами, проведенный в настоящей работе анализ и данные, полученные другими исследователями, на наш взгляд, показывают, что выявленные в работе два механизма являются характерными для тектонического процесса вообще, включая и процесс субдукции.

Таблица 11.10. Параметры зон субдукции по данным работ [Гатинский, Рундквист, Владова и др., 2000; Тверитинова, Викулин, 2005].

Примечание. Данные в последнем столбце (временные интервалы Т1-Т2 и их продолжительности ) определены авторами статьи [Гатинский, Рундквист, Владова и др., 2000] по приведенным в таблице номерам магнитных аномалий в соответствии с данными работ [Харленд, Кокс, Ллевеллин и др.,1985; Хейцлер, Диксон, Херрон и др., 1974] «Тектонической карте мира» масштаба 1:45.000.000 [Тверитинова, Викулин, 2005].

Примечание. Данные для всего Атлантического океана в расчетах нами не учитывались.

Таблица 11.12. Длина L, км, ширина раскрытия (минимальная и максимальная) H, км, возраста и значения скоростей V, мм/год рифтовых зон Земли, определенные Т.Ю. Тверитиновой по тектонической карте мира масштаба 1:45.000.000 [Твиритинова, Викулин, 2005].

Рифтовая система Примечания. Возраста спрединга определялись по [Харленд, Кокс, Ллевеллин и др., 1985];

ширина раскрытия зоны определялась по минимальному и максимальному замеру ширины зоны поперечно к направлению рифтовой зоны; длина зоны определялась по длине зоны с соответствующим временным интервалом; если вдоль зоны фиксируется спрединг разных временных интервалов, то длина зоны с какого-то момента остается постоянной.

Для определения тектонической энергии движущейся плиты будем полагать, что ее кинетическая энергия равна E = mV 2, где m L – масса плиты, - ее объемная ( = 3), площадная ( = 2) или линейная ( = 1) плотность. Тогда, дифференцируя выражение для энергии, заменяя в полученном дифференциальном уравнении dL через dV, определяемое из соотношений LgL LgV, и интегрируя полученное соотношение, для величины энергии движущейся со скоростью V плиты протяженностью L, получим выражение E / E 0 = (V / V0 ) ( 2+ ) или где 0.45±0.13 для механизма, описываемого соотношением (11.52), и 0.7±0.3 для E 0 = L V02, L0 и V0 – энергия, протяженность плиты и скорость движения ее границы в момент начала процесса.

Таблица 11.13. Скорости спрединга, рассчитанные Т.Ю. Тверитиновой по данным работ [Ле Пишон, 1974; Хейцлер, Диксон, Херрон и др., 1974].

Примечание: n – число экспериментальных определений скоростей субдукции для каждой из зон, V – средние значения скоростей субдукции, принимаемые нами в расчетах, и среднеквадратичные отклонения.

Таблица 11.14 Параметры зависимостей LgL(LgV), характеризующих протяженности зон как функции скоростей рифтинга и спрединга для разных геологических отрезков времени [Тверитинова, Викулин, 2005].

Примечание. Исходные данные представлены табл. 11.12.

Из соотношений (11.52), (11.53), (11.54) видно, что зависимости для энергий плит от величин их скоростей движения для каждого из механизмов существенно различаются.

Действительно, в «предельных» случаях, для механизмов (11.53), когда max 1 при max 2.5 (2 < < 3, например, при малых временах имеем зарождение плиты), и (11.52), когда min 0.3 при min 1 (например, при больших временах размер плиты увеличивается практически в одном направлении), соответственно получаем:

Тектонические волны. Существование тектонических волн не вызывает сомнений, проблематичной является их природа [Быков, 2005]. В настоящее время отсутствует общепринятое определение понятия «тектоническая волна». Поэтому чтобы не вводить новый термин везде ниже под тектоническими волнами будем понимать такие геодинамические возмущения, которые соответствуют движению совокупности тектонических плит Земли.

Рис. 11.15. Данные, характеризующие зависимость LgL(LgV) между протяженностями плит L и скоростями их движения V по [Тверитинова, Викулин, 2005]. а – скорости субдукции, рифтинга и спрединга (N=61); б – скорость рифтинга и спрединга (N=29); в – скорости субдукции (N=32).

Можно видеть, что полученные выше тектонические соотношения (11.52) и (11.53) и/или (11.55) и (11.56) являются близкими аналогичным сейсмическим соотношениям (11.6.2) и (11.4.2) и/или (11.6.1) и (11.4.1), т.к. соответствующие коэффициенты и показатели степеней оказались равными друг другу. Отмеченное совпадение не случайно и достаточно хорошо согласуется с представлениями описанной выше ротационно-упругой модели геофизической среды.

Во-первых, данные по движению плит, фактически, могут рассматриваться в качестве независимого подтверждения гипотезы о собственном моменте силы блока геофизической среды. Действительно, в работе [Жарков, 1983], на основании данных [Ле Пишон, 1974; Морган, 1974; Forsyth, Uyeda, 1975], сформулирован важный вывод о движении плит: «скорости плит коррелируются с величиной среднего полярного расстояния плиты». При этом В.Н. Жарков [1983] отмечает, «что движение литосферы…увлекает за счет сил вязкого трения подстилающую ее астеносферу» (курсив А.В.) - т.е. движение литосферы никак не зависит от движений в нижележащей астеносфере. В рамках таких геофизических представлений все приведенные выше инструментальные, наблюдательные и теоретические геофизические и геологические данные о вращательном движении плит имеют вполне определенный тектонический смысл. А именно, они, фактически, могут рассматриваться как такие данные, которые в соответствии с (11.53) и (11.53) определяют механизмы, обеспечивающие вращательное движение плит, независимое от движений в мантии. Другими словами, такие вращающие плиты механизмы, как и механизмы, вращающие блоки в описанной выше ротационноупругой модели, обеспечиваются за счет «собственных» источников, независимых от дрейфа материков и, следовательно, от перемещений вдоль разделяющих их разломов.

Во-вторых, из самых общих соображений ясно, что между реальными блоками и плитами не должно быть физически существенной разницы. Различие между такими структурами, как блоки и плиты - чисто математические: пока не удалось получить аналитического решения задачи о поле напряжений вокруг тонкой плиты на поверхности вращающегося шара, аналогичное решению задачи для блока безграничной вращающейся среды (11.23.1) – (11.23.4). Представляется, что поле напряжений, создаваемое взаимодействующими плитами, должно описываться существенно нелинейным уравнением, типа СГ уравнения (11.35), и, следовательно, качественно иметь решение в виде тектонических (т.е. описывающих движение плит) волн – солитонов (11.56), (11.53) и экситонов (11.55), (11.52), с характерной ротационно-упругой скоростью (11.41), (11.42).

Сейсмичность, вулканизм и тектоника как составные части Выше в этой главе были проанализированы свойства сейсмического и вулканического процессов, протекающих в пределах окраины Тихого океана, и тектонического процесса - как движение совокупности плит планеты. Для каждого из процессов в отдельности были установлены определенные волновые (пространственновременные) и энергетические закономерности. Показано, что волновые движения, соответствующие каждому из сейсмического, вулканического и тектонического процессов, имеют такие общие ротационно-упругие закономерности, которые указывают на наличие единого геодинамического источника, связанного с вращением Земли.

Циркулярная поляризация ротацонно-упругих волн. Существование в земной коре геодинамических волн крутильной поляризации вытекает из следующих данных [Викулин, 2008в].

- Часто при землетрясениях во многих регионах мира наблюдались повороты памятников, повороты отдельных частей зданий друг относительно друга, отколы угловых частей зданий, большие деформации стен и перекрытий от кручения.

- Инструментальными измерениями в различных геофизических полях и геологическими данными установлены повороты блоков земной коры, микроплит и значительных по протяженности плит и платформ. Многочисленные примеры таких движений приведены выше.

- Из очагов достаточно сильных землетрясений визуально отмечено распространение вдоль поверхности Земли видимых «горбов» или «земляных волн», по сути, гравитационных сейсмических волн, и такие колебания теоретически объяснены и инструментально зарегистрированы.

В рамках ротационно-упругой волновой модели, описанной выше, показано, что достаточно сильное землетрясение является результатом взаимодействия блока земной коры – очага землетрясения, с волной тектонической природы круговой поляризации, по сути – спиновой волной. Согласно построенной теории [Викулин, 2008б, в, Vikulin, 2006]:

- в течение форшоковой стадии происходит разворот поля упругих напряжений вокруг неподвижного блока земной коры до предельного (критического) значения 420 ± 30, что, в принципе, может являться доказательством отсутствия в ряде случаев статистически значимого форшокового процесса;

- сам главный толчок и его достаточно сильные афтершоки представляют собой результат «распада» тектонической спиновой уединенной волны (солитона) на дисклинацию (круговую дислокацию) и экситонные возмущения типа волн сейсмической миграции землетрясений (решение II на рис. 11.2, соотношения (11.6), (11.7), (11.6.1), (11.6.2), раздел этой главы «Эффект Доплера»);

- сейсмический момент по самой своей сути приобретает естественное обоснование в рамках теории круговых (винтовых) дислокаций.

Как показано выше, волновые процессы, связанные с сейсмичностью, имеют общие свойства как с вулканическим процессом в пределах островных дуг и континентальных окраин, так и с тектоническим процессом – движением совокупности плит Земли. При этом механизм «собственного» вращения тектонических плит, в свете проведенных геофизических исследований микроплит Пасха и Хуан-Фернандос [Международный, 2003], оказался почти очевидным. Миграция сильных вулканических извержений вдоль окраины Тихого океана происходит аналогично миграции сильных землетрясений и в периоды региональных катастроф сейсмичность и вулканизм «согласованы» между собой [Мелекесцев и др., 2005,. 562].

Таким образом, можно принять, что и геодинамические волны, «управляющие»

сейсмическим, вулканическим, тектоническим и другими геофизическими и геологическими процессами Земли, имеют циркулярную поляризацию. Следовательно, геодинамика – наука о геофизических и геологических процессах Земли, по сути своей, является ротационной. «Механическая» составляющая волновой геодинамики подробно будет рассмотрена ниже в главе 13 в разделе «Фигура равновесия вращающихся тел.

Задача Дирихле».

В связи с такими подходами необходимо будет в дальнейшем пересмотреть некоторые основы нашего подхода к проблемам геодинамики и физики Земли [Викулин, 2003, 2004, 2008в].

Ротации и Глобальная тектоника. 1. Следует отметить, что в работах [Ле Пишон, 1974; Морган, 1974; Новая…, 1974; Forsyth, Uyeda, 1975] поиск корреляций между скоростями движения границ плит и другими их параметрами проводился в полном соответствии с принципами механики движения жестких плит вдоль сферической поверхности. Однако такое рассмотрение происходило без учета вращения планеты.

Поэтому, несмотря на абсолютно правильную с механической точки зрения формулировку целей исследования: «Обладает ли тектонический механизм достаточной для движения плит энергией?», «Может ли предлагаемый теоретический механизм вызвать фиксируемые в зонах спрединга и субдукции движения плит?» [Forsyth, Uyeda, 1975], игнорирование эффектов, связанных с вращением Земли, привело к «пропуску» нелинейных сейсмотектонических решений ротационного типа (11.56) - (11.55) или (11.52) - (11.53). И, как следствие, в рамках Новой глобальной тектоники [Новая…, 1974] потребовалось отвечать на вопросы типа [Айзекс, Оливер, Сайкс, 1974]: «Подтверждают ли данные сейсмологии концепцию новой глобальной тектоники?» и «Позволяет ли новая глобальная тектоника по-новому подойти к проблемам сейсмологии?» - ответы на которые, вообще говоря, были заранее очевидны. Надо отметить, что не на все из таких вопросов к настоящему времени получены убедительные ответы. Например, «структурные и кинематические решения, предлагаемые плейттектоникой, во многих случаях малообоснованны» [Пущаровский, 2005]. Более того, становится все более очевидной несостоятельность Новой глобальной тектоники как всеобъемлющей геодинамической концепции [Спорные…, 2002]. И, тем не менее, плейттектоническая концепция своей наглядностью, тесной причастностью ко многим научным дисциплинам и, по-видимому, главным – своим «мобилистическим началом» [Пущаровский, 2005], уже сыграла, и еще в течение долгого времени будет продолжать играть важную роль в науках о Земле, так как является «популярной до предела» [Пущаровский, 2005].

2. Движение плит и сейсмичность (и вулканизм) – как гром и молния (и дождь), по своей сути – есть разные проявления одного и того же геодинамического процесса. В рамках Новой глобальной тектоники представляется очевидным, что движение плит и тектоника (молния) – «первичны», а землетрясения и сейсмология (гром) – «вторичны». В рамках же геодинамического процесса, опирающегося на представления о нелинейных свойствах вращающейся геофизической среды, вопрос о «первичности» и «вторичности»

в такой постановке, вообще говоря, не имеет смысла: они все генерируются единым источником, напрямую связанным с вращением Земли вокруг своей оси. Действительно, и ранее [Викулин, 2003], и выше показано, что и тектонические плиты, и сейсмофакальные блоки на вращающейся планете движутся в условиях самосогласованного упругого поля, волновые свойства которого являются ротационно обусловленными. В соответствии с теоремой Эйлера таким движениям должны соответствовать вполне определенные трансляционные перемещения блоков – землетрясения, сейсмический процесс и плит тектонический процесс, наблюдаемые на поверхности Земли. Другими словами, «первичным», по сути, является сам геодинамический процесс, волновая (самоорганизующая) природа которого в условиях ротации планеты обеспечивается наличием собственных моментов у слагающих геологическую среду образований. В таком случае становится понятным, почему согласно [Бондарчук, 1970, с. 57], «тектоническое (по сути – геодинамическое – А.В.) движение есть производная форма вращательного движения».

3. В последнее время наблюдается резкое повышение интереса к проблеме вихревых структур и их взаимосвязи с ротацией планеты. «Весьма показательным в этом смысле можно назвать XXXV Тектоническое совещание 2002 года [Тектоника…, 2002], каждый седьмой доклад которого в той или иной мере касался теоретических, планетарных или региональных проблем ротогенеза. Несколько докладов на этом совещании были посвящены результатам изучения влияния ротационного режима Земли на новейшую и современную геодинамику. Отдельные публикации, появившиеся в последние годы, подтверждают перспективность и плодотворность таких исследований, вносящих существенный вклад в познание геотектоники и геодинамики и зачастую приводящих к весьма неожиданным результатам. Огромный фактический материал, накопленный к настоящему времени по обсуждаемой проблеме, вероятно, заслуживает того, чтобы комплекс структур, обязанных своим происхождением ротационному фактору, стал рассматриваться в рамках специально выделенной ротационной тектоники»

[Полетаев, 2005].