НЕУСТОЙЧИВОЕ СКОЛЬЖЕНИЕ В РАЗЛОМАХ ЗЕМНОЙ КОРЫ

НЕУСТОЙЧИВОЕ СКОЛЬЖЕНИЕ В РАЗЛОМАХ ЗЕМНОЙ КОРЫ КАК
АВТОВОЛНОВОЙ ПРОЦЕСС
В.Г. Быков
Институт тектоники и геофизики им. Ю.А.Косыгина ДВО РАН, г.Хабаровск, Россия.
E-mail: bykov@itig.as.khb.ru
Моделирование деформационных процессов в разломах земной коры на основе
автоволновой концепции требует убедительного обоснования возможности представления
разломов в виде автоволновой системы. Автоволновая система должна быть активной,
нелинейной и неустойчивой.
1. Активность системы предполагает обмен энергией и веществом с окружающей
средой и наличие механизма перекачки запасенной в системе энергии в энергию волн.
Разломы, как термодинамически открытые системы, обмениваются с вмещающими
горными массивами потоками энергии и флюидов. Разломные зоны непрерывно
подвергаются внешним и внутренним воздействиям полей тектонических и
гравитационных напряжений, динамических нагрузок в результате земных приливов,
неравномерного вращения Земли, волн от землетрясений и т.д. В разломных зонах
постоянно перемещаются флюиды, оказывающие непосредственное влияние на динамику
разломов и обеспечивающие осциллирующие режимы физико-химических процессов в
земной коре и литосфере. Химическая деградация трещиновато-пористых
сцементированных геоматериалов тела разлома управляется энергомассопереносом за
счет разложения внутрипорового флюида, молекулярной диффузией в пористой матрице,
диффузией и адвекцией в трещинах и каналах разломов.
Вследствие этого в разломах возможно возникновение волновых процессов,
параметры которых определяются собственными свойствами системы. Все разломы
объединены переносом волновых процессов, которые проходят через возбудимую
геологическую среду. Перенос происходит посредством «подкачки» энергии извне в
элемент среды – разлом. Энергия, подпитывающая волновой процесс, должна иметь
тектоническую природу [3].
2. Нелинейность, в общем понимании, означает, что реакция среды на сумму
воздействий не равна сумме реакций на отдельные воздействия, или когда малые
воздействия вызывают аномально большой отклик среды. Нелинейность системы
особенно чувствительна к воздействиям, согласованным с ее внутренними параметрами
или свойствами (резонансное возбуждение). В геологических разломных средах идут
процессы, вследствие которых накапливается запас энергии, высвобождающейся при
возбуждении среды. В таких случаях сам эффект – результат возбуждения среды 
зачастую значительно (по энергии) превосходит первоначальное инициирующее
воздействие. Яркие проявления активности и сильной нелинейности геологической среды
были зафиксированы при промышленных и подземных ядерных взрывах, при
зондировании земной коры мощными электрическими импульсами [1,4,6,7]. Взрывы и
электромагнитные импульсы инициировали выделение энергии, уже накопленной средой
в ходе тектонических движений. Процессы возбуждения землетрясений, очаги которых
«привязаны» к разломам, крайне малыми по величине воздействиями, позволяют считать
эти разломы активными и существенно нелинейными системами.
3. Самопроизвольное, не связанное с действием внешних геофизических
организующих полей регулярное поведение в разломной зоне возможно в результате
развития в ней определенного вида неустойчивостей. Взаимодействие и коллективное
влияние всех факторов, обусловленных «открытостью» разломов  сквозным переносом
энергии и вещества, приводит к ослаблению или упрочнению разломов, т.е к
неустойчивости внутренних механических параметров. Многочисленные эмпирические
данные, и в частности, наведенная сейсмичность, указывают на локальную
пространственно-временную неустойчивость деформационных процессов в зонах
разломов земной коры.
Таким образом, разломные зоны земной коры являются активными, нелинейными и
неустойчивыми средами. Поэтому из общих физических закономерностей нелинейных
процессов следует, что генерация автоволн в разломах неизбежна. Необходим поиск
признаков деформационных автоволн в сейсмоактивных разломах.
Генерация деформационных автоволн может быть вызвана относительным
перемещением или переупаковкой смежных блоков, локализованных в пределах
разломных зон. Нелинейная модель неустойчивого скольжения (stick-slip) [2] в разломах
земной коры учитывает все ведущие факторы этого процесса и включает режимы,
необходимые для генерирования деформационных волн. Динамика разлома также, как и в
экспериментах stick-slip [5], определяется внутренними параметрами системы
(шероховатостью бортов и трением) и фактически не зависит от начальных условий.
Генерируемая деформационная волна движется с почти постоянной скоростью, которая
также определяется параметрами модели разлома.
Неустойчивое скольжение в системе блоков обладает всеми признаками
автоколебаний: колебания являются внутренним свойством системы; ритм движения
контролируется самой системой, а не источником энергии; внешнее воздействие –
постоянная касательная нагрузка – не является колебательным.
В экспериментах замечено [5], что перед динамической подвижкой – завершающей
стадией цикла stick-slip – возникают (как и в модели активизации разлома [2]) волны
напряжений, распространяющиеся вдоль контакта блоков. Эта особенность в достаточной
степени универсальна, т.к. установлена в экспериментах, выполненных на образцах
различных горных пород [5]. Выявленные закономерности допускают предположение об
автоволновом характере деформационного процесса, развивающегося в системе блоков
(теле разлома) при монотонном внешнем воздействии на нее.
Отсюда следует аналогия между stick-slip, моделью активизации разломов и
автоволновыми процессами, а также возможность рассматривать активные разломы как
автоволновую систему, а автоволновой механизм, который может привести к
циклическим повторениям сейсмических подвижек в разломе, – как один из возможных
механизмов миграции тектонических напряжений в Земле.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных
исследований (грант РФФИ 04-05-97001).
Список литературы
1. Адушкин В.В., Спивак А.А., Дубиня М.Г. Сейсмические явления, наведенные
подземным ядерным взрывом // Наведенная сейсмичность. М.: ОИФЗ РАН, 1994.
С.199-206.
2. Быков В.Г. Волны активизации разломов земной коры // Тихоокеан. геология. 2000.
Т.19. № 1. С.104-108.
3. Маламуд А.С., Николаевский В.Н. Циклы землетрясений и тектонические волны.
Душанбе: Дониш, 1989. 140 с
4. Николаев А.В., Верещагина Г.М. Об инициировании землетрясений подземными
ядерными взрывами // Докл. АН СССР. 1991. Т.319. № 2. С.333-336.
5. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 392 с.
6. Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В. Влияние ядерных взрывов на сейсмический режим //
Докл. АН. 1995. Т.343. № 4. С.543-546.
7. Тарасов Н.Т. Изменение сейсмичности коры при электрическом воздействии // Докл.
АН. 1997. Т.353. № 4. С.542-545.