1. Одной из первых важных особенностей сейсмичности, на которую исследователи достаточно давно обратили свое внимание, было свойство периодичности - повторяемости наиболее сильных землетрясений в одном месте через определенный интервал времени (Мушкетов, Орлов, 1893; Davison, 1936; Kawasumi, 1951; Кириллова, 1957; Мэй Шиюн, 1960; Тамразян, 1962; Федотов, 1965; Филлипас, 1965; Ambraseys, 1970; Shimazaki, Nakata, 1980).
Развитие инструментальной сейсмологии, завершение создания мировой сети сейсмических станций, введение в 1945 г. в практику инструментальных сейсмологических наблюдений понятия магнитуды (Gutenberg, 1945 a,b) и построение на ее основе мировых (Gutenberg, Richter, 1954; Duda, 1965; Rothe, 1969) и региональных инструментальных каталогов землетрясений послужило основой для достаточно полного описания географии планетарной сейсмичности и, как следствие, введения концепции сейсмических поясов, узкими полосами простирающимися вдоль всей поверхности планеты на многие тысячи и десятки тысяч километров (Саваренский, Кирнос, 1955; Рихтер, 1963). Анализ показал (Саваренский, Кирнос, 1955; Рихтер, 1963; Голубева, 1965), что практически вся сейсмичность планеты сконцентрирована в пределах двух поясов, простирающихся под прямым углом друг другу. В пределах одного из них - тихоокеанского, субмеридионального по простиранию, выделяется около 80 - 85% всей сейсмической энергии планеты; в пределах второго - Альпийско-Гиммалайского субширотного пояса - около 10-15%.
Уже первые результаты исследования сейсмичности позволили достаточно убедительно подтвердить замеченное ранее рядом исследователей ее свойство миграции - т.е. закономерного перемещения во времени и в пространстве вдоль всего сейсмического пояса (Тамразян, 1962; Mogi, 1968 a), некоторой его части или отдельно взятых очагов сильнейших землетрясений (Рихтер, 1963; Тамразян, 1962; Duda, 1963; Mogi, 1968 b; Mogi, 1969), включая осцилляции (Тараканов, 1961; Duda, 1961, 1963; Duda, Bath, 1963). Явление миграции в виде упругих импульсов зарегистрировано и в образцах горной породы (Kanamori, 1970). В этой связи Ш.А.Губерман (1975) выдвигает идею волновой природы миграции землетрясений - эффект D-волн.
Было также отмечено, что наиболее сильные землетрясения часто имеют тенденцию группироваться в эпохи, в течение которых они практически одновременно наблюдаются на всей поверхности Земли и при этом редко происходят в интервалах времени между ними (Мушкетов, Орлов, 1893; Тамразян, 1962, Моги, 1974).
Явление группируемости землетрясений в пространстве и во времени на меньшем масштабном уровне (Боровик, 1970; Кейлис-Борок, Подгаецкая, Прозоров, 1971; Гусев, 1974; Кондратенко, 1975; Нерсесов, Пономарев, Тейтельбаум, 1976) было установлено практически для всех сейсмоактивных районов Земли (Сидорин, 1992; Соболев, 1993). На группируемость землетрясений по величине их сейсмической энергии указывают данные о существовании при определенных значениях магнитуд статистически значимых и объяснимых на геологическом материале отклонений от линейного закона повторяемости, которые отмечались многими исследователями: М » 8 - Новая Зеландия (Eiby, 1971), Северная Анатолия (Bath,1981), Мексика (Singh, Rodriquez, Esteva, 1983), Япония (Wesnousky, Scholz, Shimazaki, Matsuda, 1984), Алеутские острова (Davidson, Scholz, 1985), Эгейское море (Main, Burtoh, 1989), Южная Калифорния (Wesnousky, 1990), Камчатка (Гусев, Шумилина, 1995); М = 4, Таджикистан (Лукк, 1969), М = 5,5, Камчатка (Кролевец, Писарев, 2000), М = 5-6 Япония (Seino, Fukui, Churel, 1989) и к другим значениям магнитуды, (Takanami, Taylor, Snoke, Sacks, 1991; Pacheco, Scholz, Sykes, 1992; Полякова, 1987; Гоцадзе, 1973; Цветков, 1974). Отметим: в области М » 8 нелинейность закона повторяемости не исчезает и при переходе к моментной магнитуде МW.
Существование таких явлений группирования землетрясений и их миграции позволяет предположить наличие между их очагами вполне определенной связи, по сути, взаимодействия (Кузнецова, 1974), физика которого определяется свойствами пространственного, временного и энергетического распределений землетрясений.
Приведенные данные о группируемости землетрясений и волновой природе миграции сейсмичности указывают на то, что совокупность землетрясений, рассматриваемая в пространстве и во времени с учетом взаимодействия между их очагами, может рассматриваться как вполне определенный физический процесс.
Определение. Под сейсмическим процессом будем понимать совокупность землетрясений протяженного региона (очага отдельно взятого землетрясения, островной дуги или всего сейсмического пояса), рассматриваемую в пространстве и во времени с учетом взаимодействия их очагов.
Данные о существовании взаимосвязи между землетрясениями, с одной стороны, и процессами в атмосфере (Bossolasco, 1963; Сытинский, 1979, 1997), вариациями вращения планеты (Стовас, 1958; Hedervari, 1963; An, 1987; Chao, Gross, 1995; Takeo, Ito, 1997; Копничев, Соколова, 1997), нутацией ее полюса (Smylie, Mansiha, 1968, 1971; Федоров и др., 1972; Котляр, Ким, 1994), гелиофизическими параметрами (Курбасова и др., 1997), космическими факторами (Тамразян, 1959; Широков, 1974, 1977; Широков, Кузьмин, 1990), эклиптической долготой Луны (Shirley, 1986; Knopoff, 1970), солнечной активностью (Барсуков, 1984; Линьков, 1987; Яснов, 1993), количеством осадков (Costain, Bollinger, 1991), колебаниями уровня моря (Родкин, 1992) - с другой, указывают на планетарный масштаб сейсмического процесса.
С использованием теории субдукции (Ле Пишон, Франшто, Боннин, 1977) были разработаны механические модели, в рамках которых сейсмичность удалось связать с движением тектонических плит, в результате чего и стала очевидной тектоническая природа волн миграции (Elsasser, 1969; Savage, 1971; Лобковский, Баранов, 1984; Маламуд, Николаевский, 1989; Николаевский, 1996).
Таким образом, приведенные данные позволяют предположить, что сейсмический процесс следует рассматривать как волновой, планетарного масштаба процесс, имеющий тектоническую природу.
2. Был установлен блоковый характер геофизической среды (Садовский, 1979; Садовский, Болховитинов, Писаренко, 1987; Садовский, Писаренко, 1991). Доказано, что Земля обладает сильно выраженными нелинейными свойствами (Николаев, 1987; Пономарев, 1987; Хаврошкин, 1987; Проблемы..., 1987), и показано, что закономерности сейсмичности в поясах могут быть описаны аналитическими методами с помощью нелинейных волновых уравнений (Артамонов, 1976; Журавлев, 1980; Ouchi, Ito, 1986; Любушин, 1991).
Идеи блокового строения геофизической среды при построении моделей сейсмического процесса использовались и ранее. Краткий обзор такого рода моделей приведен в работе (Любушин (мл), 1987). Согласно этому обзору, отличительная особенность таких моделей состоит в том, что в них основным моментом является иерархичность и вытекающая из нее попытка дать единое описание связи землетрясений различной силы и местоположения. В контексте данного обзора основным выводом «иерархического» подхода является сильная нелинейность дифференциальных уравнений, с помощью которых описывается сейсмический процесс. Такой вывод находится в полном согласии с приведенными выше данными о нелинейном характере блоковой среды и является вполне закономерным, поскольку в нелинейных средах, к которым относится и земная кора (Проблемы..., 1987), только за счет «включения» в линейное уравнение соответствующих нелинейных членов можно пытаться в рамках одной модели совместить миграционную (волновую) природу сейсмического процесса с одной стороны, с большой продолжительностью сейсмического цикла (100 - 200 лет) и малыми значениями скоростей миграции (10 ¸ 1000 км/год) - с другой.
Таким образом, представляется, что аналитические модели, претендующие на адекватное описание сейсмического процесса, должны содержать нелинейные волновые уравнения, коэффициенты которых определяются свойствами геофизической среды и сейсмичности.
В последние годы разработано большое количество математических моделей для описания нелинейных сейсмических эффектов и процессов. Обзор таких моделей и их классификация приведены в работе (Быков, 2000 а). Согласно этому обзору, описание нелинейных эффектов в геофизических средах оказывается возможным описать в рамках канонических нелинейных уравнений Бусинеска, Бюргерса, Кортевега де Вриза, Шредингера, синус-Гордона и их модификаций, в которых существенными оказываются нелинейности, диссипация и дисперсия - основные характеристики и геофизической среды, и волновых процессов, протекающих в ее пределах. Эти уравнения имеют довольно простую структуру, их решения в применении к конкретным физическим задачам достаточно хорошо изучены (Скотт, Чжу, Маклафлин, 1973), что позволяет детально изучать физическую природу ряда фундаментальных сейсмо-тектонических (и других геофизических) процессов.
Важным обстоятельством в контексте темы настоящей работы является следующий вывод, который, на наш взгляд, можно сделать на основании данных, приведенных в обзоре (Быков, 2000 а). А именно, нелинейные волновые свойства геофизической среды, имеющей блоковое (фрагментированное) строение, оказывается возможным описать, как правило, с привлечением уравнения синус-Гордона: медленные уединенные тектонические волны при вращении фрагментов блочных сред (Николаевский, 1995), уединенные волны при деформировании сред с пластическими прослойками (Гарагаш, 1996), уединенные волны в разломе земной коры (Быков, 2000 б). При этом, динамические возмущения имеют солитонный характер и при достижении состояния предельного равновесия в макромасштабе микровращения блоков образуют некую упорядоченную структуру (Михайлов, Николаевский, 2000).
Движущиеся блоки земной коры имеют и «вращательную» составляющую, обусловленную вращением Земли. На это указывают данные о морфоструктурах (Кулаков, 1986; Кац и др., 1989) и так называемым вихревым структурам (Ли Сы-Гуан, 1958; Мелекесцев, 1979).
Развивая представления микрополярного континуума, учитывающие одновременно и трансляционные смещения, и кинематически независимые микроповороты отдельных блоков, оказалось возможным в рамках одной модели описать процессы распространения тектонических уединенных волн, излучающих сейсмические упругие предвестники (Михайлов, Николаевский, 2000). Полученный результат имеет принципиальное значение, так как открывает возможность построения в рамках модели микрополярного континуума механики очага тектонического землетрясения.
С позиции моментной теории упругости вывод о том, что уравнение синус-Гордона, по сути, является уравнением движения блоковой среды, очевиден: антисимметричная часть тензора напряжений, связанная с микровращениями блоков, пропорциональна векторному произведению возвращающей силы, приложенной к поверхности вращающегося блока, на радиус поворота, и, таким образом, пропорциональна синусу угла поворота (Николаевский, 1996; Михайлов, Николаевский, 2000).
Успехи, достигнутые в рамках моделей геофизических сред, использующих представления о блоках, двигающихся друг относительно друга по, фактически, долгоживущим разломам, несомненны. И вместе с тем, при описании таких движений нельзя не учитывать процессы, приводящие к «залечиванию» разломов; такие процессы являются альтернативными процессу нарушения сплошности земной коры и в значительной степени определяют ее прочность (Ружич, 1997). В противном случае, «за то огромное время, в течение которого на Землю действуют землетрясения, вся земная кора должна была бы расчлениться трещинами и превратиться, грубо говоря, в песок» (Садовский, Болховитинов, Писаренко, 1987). Учет такого рода данных неизбежно приводит нас к необходимости разработки таких нелинейных континуальных моделей, в которых при поворотах блоков напряжения накапливаются не только в пределах достаточно узких («трещинных») зон между ними, но и в значительно больших объемах, в пределах, достигающих размеров всего тела (Лихачев, Панин, Засимчук и др., 1989).
3. Из приведенных выше данных следует, что физическое содержание моделей сейсмического процесса, связанное с его волновой тектонической природой и планетарным масштабом явления, по сути, обеспечивается за счет отождествления концепций очага землетрясения, как вполне определенного объема сейсмофокальной зоны, и блокового строения геофизической среды. Совмещение таких концепций с очевидностью влечет за собою выполнение вполне определенных условий. А именно, в свете представленных выше данных, само землетрясение, т. е. выделение энергии при сейсмическом толчке, происходит вследствие такого движения в его очаге, источником которого является взаимодействие «элементарных» сейсмофокальных блоков друг с другом, по сути, имеющее дальнодействующий характер.
Ясно, что общепринятые в настоящее время модели очага землетрясения - ЛНТ (Мячкин, Костров, Соболев, Шамина, 1974, 1976), дилатации (Nur, 1972), консолидационная (Добровольский, 1984) и др., основанные на принципе упругой отдачи (Reid, 1910), по сути, «локальном», не в состоянии объяснить дальнодействующий механизм взаимодействия в силу того, что упругие напряжения в такого рода моделях концентрируются внутри очага в узкой зоне, примыкающей к магистральному разрыву плоской формы.
Необходимость поиска новых («не локальных») моделей очага землетрясения вытекает, в том числе, и из других данных, указывающих на существование класса «замедленных» (Kanamori, Steward, 1979), «безмолвных» (Kawasaki et.ol., 1991) и многократных - мультиплетных (Lay, Kanamori, 1980) землетрясений. Попытка построения теории процесса при таких явлениях приводит к появлению большого количества условий (Yamashita, 1980), которые вряд ли удастся согласовать в рамках общепринятых на настоящий момент времени представлений о процессе в очаге землетрясения.
Интенсивное развитие инструментальной базы наблюдательной сейсмологии, имевшее место в течение последних десятилетий, позволили значительно расширить спектр упругих колебаний, регистрируемых при сейсмических событиях. Так, в настоящее время уверенно регистрируются собственные колебания планеты (Собственные колебания Земли, 1964), собственные колебания тектонических плит (Давыдов, Долгих, Запольский, Копвиллем, 1988) и длиннопериодные (до 200-300 сек и, по-видимому, более) колебания при землетрясениях (Tatsuhiko, Keiko, 1994; Duda, Kaiser, Fasthoff, 1989). При этом, методами длиннопериодной сейсмологии оказывается возможным с большой разрешающей способностью выполнять амплитудно-частотный анализ колебаний в широком спектре частот (Duda, Gupta, 1997; Kumar, Sarkar, Duda, 1997). Такие способы регистрации и анализа, в частности, и позволили выявить мультиплетный характер движений при некоторых главных толчках сильных землетрясений (Wesnousky, 1986; Wyss, Brune, 1967) и показать достаточно сложное строение их очагов (Plafker,Savage, 1970; Wu, Kanamori, 1973; Kanamori et. ol., 1983; Uhrhammer, 1981; Staward, Kanamori, 1982; Иванов, Константинова, 1988; Соловьев, Кечекезян, 1985). Попытка классификации причин и условий возникновения медленных («молчаливых», «безмолвных» и т.д.) землетрясений и крипа, проведенная в работе (Bonafede, Boschi, Drasoni, 1983), практически ставит такие события в один ряд явлений с собственными колебаниями Земли.
Для объяснения цикличности сейсмического процесса предложена простая модель, в основе которой заложены представления о винтовой дислокации в упругой среде (Savage, Prescott, 1978). Объяснение цикличности сейсмического процесса дается и в рамках клавишной модели (Керчман, Лобковский, 1986), в которой сейсмофокальные блоки слабо связаны друг с другом (Лобковский, Баранов, 1984). Следует также отметить и то, что общепринятые в настоящее время модели очага землетрясения не в состоянии дать физически обоснованное объяснение отмечавшейся выше связи между сейсмичностью и режимом вращения планеты (Манк, Макдональд, 1964; Стейси, 1972).
Как видим, модель очага землетрясения, которая, очевидно, должна соответствовать (в пределе, при слабом взаимодействии между очагами землетрясений вытекать из) концепции волнового сейсмического процесса тектонической природы, в то же время, во-первых, должна быть в состоянии описывать «элементарные» источники упругих колебаний, размеры которых лежат в широком диапазоне от очагов сильнейших землетрясений (первые сотни-тысяча километров) и их объединений в виде островных дуг (первые тысячи километров) до сейсмических поясов (десятки тысяч километров) и, по-видимому, всей планеты в целом. И, во-вторых, иметь геометрию, отличную от «плоской».
Таким образом, волновому сейсмическому процессу должна соответствовать новая, отличная от общепринятых «плоских», модель очага землетрясения, физическое содержание которой определяется таким свойством сейсмического процесса, как дальнодействующий характер взаимодействия «элементарных» сейсмофокальных объемов.
4. Было выявлено такое свойство сейсмических поясов, как seismic gaps - мест, в пределах которых землетрясения с достаточно большой магнитудой не происходили в течение многих десятков-первых сотен лет (Федотов, 1965; Mogi, 1968c; Kelleher, 1970, 1972; Sykes, 1971; Kelleher, Sykes, Oliver, 1973; Proceedings..., 1978; Kerr, 1979; Toksoz et al., 1979). При этом, концепция seismic gap оказалась плодотворной для целей долгосрочного прогноза мест очагов сильнейших землетрясений (Рикитаке, 1979; Моги, 1988), и оправдываемость такого прогноза для островных дуг и континентальных окраин Тихого океана оказалась достаточно высокой, не менее 70-90% (Федотов, 1968; Федотов, Чернышев, 1987; Proceedings..., 1978; Соболев, 1993).
Анализ некоторых из приведенных выше результатов исследований привел М. Бота - автора одного из первых обзоров по проблеме прогноза землетрясений (Bath, 1966) - к выводу о существовании между землетрясениями крупномасштабной связи, исследование которой необходимо проводить в рамках всей планеты, представляющей собою, т.о., единую напряженную систему. Миграционные цепочки М.Ботом отождествляются с волнами вполне определенной природы, по сути, как теперь уже ясно - тектонической. При этом им отмечено, что в случае, если известно значение скорости миграции, то можно с достаточно высокой точностью предсказать время последующих землетрясений в цепочке. Использовать эффекты миграции и повторяемости для прогноза времен землетрясений и мест расположения их очагов было предложено и в работе (Kisslinger, 1974).
Высокое значение оправдываемости указывает на то, что долгосрочный прогноз является более детерминированным, чем статистическим, а заложенные в его основе закономерности сейсмичности (наличие seismic gap) - адекватными. По существу, концепции seismic gap и очага сильнейшего землетрясения взаимосвязаны. Поэтому представляется, что установленное на практике свойство «адекватности», с математической точки зрения, может указывать на принципиальную возможность разрешимости проблемы прогноза землетрясений в рамках волновой модели передачи сейсмической энергии.
Проведенный обзор показывает, что тема, вынесенная в название работы, является актуальной с точки зрения полноты изученности свойств региональной и мировой сейсмичности (1), геофизической среды (2), физики движений в очагах землетрясений (3) и их сейсмического прогноза (4).
5. Физическое описание процесса при переходе на новый масштабный уровень его рассмотрения часто сопровождается появлением качественно новых представлений. Например, переход к системе, содержащей большое количество частиц, как известно (Ландау, Лифшиц, 1964), может сопровождаться появлением новых своеобразных статистических закономерностей. В этой связи при разработке планетарной модели сейсмического процесса, включающей большое число «элементарных» сейсмофокальных объемов - очагов землетрясений, и ее осмыслении имеет смысл поискать и другие подходы к построению новой механики очага землетрясения.
Сказанное выше опредяет основную цель книги: на основе исследования закономерностей сейсмичности Земли, комплексного критического анализа результатов такого исследования развитие физических представлений о сейсмическом процессе, как волновом процессе планетарного масштаба.
Автор выражает искреннюю признательность всем соавторам статей, результаты которых были положены в основу этой книги. Особо автор признателен А.Г.Иванчину, В.Г.Быкову, М.Н.Луневой, А.Н.Кролевцу и И.П.Чернобаю, совместно с которыми были получены наиболее интересные и важные результаты. При работе над книгой были учтены замечания Г.А.Соболева и А.В.Николаева. Созданию книги во многом способствовали плодотворные дискуссии с В.С.Куксенко, В.Н.Николаевским, И.В.Мелекесцевым, А.А.Поплавским и С.Дудой. При подготовке рукописи к печати большая помощь была оказана В.М.Павловым, С.А.Викулиной, А.А.Разиной и Л.В.Ким.
©IVGG 2003