Численное моделирование медленных движений земной поверхности, предваряющих землетрясения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.22, кандидат физико-математических наук Вавелюк, Юрий Павлович

• Вавелюк, Юрий Павлович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Вавелюк, Юрий Павлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Обзор данных по наблюдениям деформационных предвестников землетрясений

1.2. Модели процесса подготовки землетрясения

1.3. Модели, предлагавшиеся для объяснения существования деформационных предвестников

Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ./

2 . 1. Модель среды

2.1.1. Сведения о строении литосферы

2.1.2. Обзор реологических моделей

2.2. Модель процесса подготовки землетрясения

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Движение под действием вертикальной силы

3.2. Горизонтальные движения

3.3. Движения блоков с наклонными границами

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1. Моделирование движений под действием вертикальной силы

4.2. Моделирование горизонтальных движений

4.3. Моделирование движения блоков с наклонными границами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование медленных движений земной поверхности, предваряющих землетрясения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы:

В современных условиях, при стремительном росте промышленности и урбанизации, становятся все более ощутимыми последствия внезапных сейсмических катастроф. Почти половина населения Земли живет в сейсмоопаснБ1х

районах, в них сооружаются различные производственные

к

объекты со всей необходимой инфраструктурой, включая опасные химические производства и атомные станции. Человеческая деятельность увеличиваем экологическую опасность последствий землетрясений я сама мож^? становиться причиной кат&ггз'рсф. Избавить человечество о г страха и множества бедствий, порождаемых внезапными й ймлатрясенмями «г^но, решив проблему их г:1:- у.'ноча. Очевидно, что эту проблему невозможно решить без понимания природы процессов приводящих к землетрясению.

Цель работы:

Землетрясения возникают в процессе динамического взаимодействия литосферных блоков. Очаг землетрясения представляет собой разрыв, движение бортов которого приводит к излучению сейсмических волн. Они, достигая земной поверхности, и вызывают землетрясения. Как известно, подготовка очага землетрясения является в основном закономерным процессом накопления упругих напряжений (деформаций). Поэтому для научно обоснованного прогноза землетрясения необходимо понимание природы и хода деформационных процессов, создающих его очаг. Это позволило бы понять причины возникновения аномалий в

поведении различных геофизических параметров, обычно эмпирически используемых для прогноза землетрясений.

Основной целью представленной работы было создание модели возникновения деформационных предвестников землетрясений в процессе движения литосферных блоков, и сопоставление полученных модельных результатов с наблюдениями предвестников реальных землетрясений.

к

Научная новизна:

Природа деформационных предвестников землетрясений до сих пор остаётся окончательно не выясненной. В большинстве случаев, предвестники- связывали с характерными особенностями геологического строения региона и чисто эмпирически использовали для прогноза землет}: > й.

Отсутствие в настоящее время каких-либо выявленных пространственно-временных закономерностей появления подобных предвестников, является одним из главных факторов затрудняющим их исследование. Причиной этого является малое количество . геодезических полигонов, сложность и высокая стоимость работ на них. Преодолеть это препятствие можно лишь на пути увеличения количества и размеров геодезических полигонов (особенно в сейсмоопасных зонах), а также развития методов космической геодезии.

В даной работе представлена модель, описывающая сам процесс образования деформационных предвестников и причины их возникновения. Предлагаемая модель основана на

двух основных положениях: модели структуры литосферы и

<1

модели процесса подготовки землетрясения. Этот подход

позволил создать физико-математическую модель, количественно описывающую процесс ' формирования деформационных предвестников землетрясений.

Защищаемые положения:

1. Модель жестких литосферных блоков, связанных ослабленными переходными зонами, (вещество которых описывается моделью стандартного линейного тела), адекватно описывает медленные движения земной поверхности и аномалии этих движений.

2. Микропроцессы в переходных зонах, приводящие к землетрясению, можно моделировать с помощью изменения макропараметров - параметров, входящих в реологическое уравнение состояния вещества переходной зоны.

Практическая значимость:

Разработанная физико-математическая модель моя эт служить основой для дальнейших исследований медленна;; движений земной поверхности, а также времени возникновения, формы и длительности деформационных предвестников землетрясений, и тем самым, для прогноза землетрясений, вызванных медленными движениями

литосферных блоков.

Апробация работы:

Основные результаты исследований были представлении:

на:

Всероссийской научно-практической конференции "Геофизика 97" (Санкт-Петербург, 1997).

- 23-ей генеральной ассамблее Европейского геофизического общества (Ницца, 1998).

-Международной конференции "Проблемы Геокосмоса" (Санкт-Петербург, 1998).

Публикации:

По теме диссертации опубликованы 2 статьи.

к

Структура работы и объём:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа включает 99 страниц, включая 20 рисунков. Список литературы содержит 68 названий«

Заключение диссертации по теме «Геофизика», Вавелюк, Юрий Павлович

Выводы к главе 4:

На основании результатов математического моделирования медленных движений блоков можно сделать следующие выводы:

1) Вертикальная сила, действующая снизу на блок, приводит к аномальным изменениям наклонов блоков, предшествующий землетрясениям. При этом передача аномалии от блока к блоку происходит с конечной скоростью. Наклоны соседних блоков противоположны по знаку.

2) Горизонтальная сила, действующая ка систему блоков, приводит к аномальным изменениям скоростей блоков в процессе подготовки в; межблоковой среде землетрясения. Аномалии движения блоков также проявляются в аномалиях длин светодальномерных линий, соединяющих блоки.

3) При горизонтальном сжатии системы блоков с наклонными границами, в период подготовки землетрясения в межблоковой среде, появляются аномалии наклонов. Особенности этих аномалий качественно те же, что и в модели блоков с вертикальными границами. Наклоны блоков могут приводить к расширению наклонных переходных зон, что облегчает возникновение разрыва.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложеная модель взаимодействия литосферных блоков объясняет основные закономерности деформационных предвестников землетрясений.

Результаты численного моделирования свидетельствуют о возникновении аномалий медленных движений блоков при подготовке землетрясения в межблоковой среде. Подобные к аномалии эмпирически используются как предвесники землетрясений. Предлагаемая модель объясняет связь этих предвестников с процессами подготовки землетрясения, что дает возможность более полно и эффективно использовать их в целях прогноза готовящегося землетрясения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель жестких литосферных блоков, связанных ослабленными переходными, зонами, (вещество которых описывается моделью стандартного линейного тела), адекватно описывает медленные движения земной поверхности и аномалии этих движений.

2. Микропроцессы в переходных зонах, приводящие к землетрясению, можно моделировать с помощью изменения макропараметров - параметров, входящих в реологическое уравнение состояния вещества переходной зоны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Вавелюк, Юрий Павлович, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Алдамжаров К.Б., Оспанов А. Б. Экспериментальные исследования на Алма-Атинском прогностическом полигоне//Прогноз землетрясений. 1982. №2. с. 94-107.

2. Алдамжаров К.Б., Передеро B.C., Тихомиров A.B. Комплексное изучение современных движений земной

поверхности (СДЗП) на Алма-Атинском полигоне и их связь с

к

сейсмичностью// Прогноз землетрясений. 1982. №2. с. 134150.

3. Антрушкевич П.А., КаЛабаев Н.Б. Использование прецизионного светодальномера ДК-001 для изучения горизонтальных движений земной коры на Алма-Атинском геодинамическом полигоне//Современные движения земной коры. Комплексные геодинамические полигоны. М.: 1986 ..- <g. 36-40.

4. Асада Т., Исибаси К., Матсуда Т. и др. Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии. Под ред. Т. Асада, М. : Недра, 1984. 312 с.

5.Бахтиаров В.Ф., Левин В.Е. Светодальномерные измерения из обсерватории Мишенная. Анализ результатов наблюдений//Вулканология и сейсмология. 1991. №3. с.85-89.

6. Бахтиаров Е.Ф., Левкн В.Е. Применение светодальномеров в геодезической обсерватории "Мишенная" (Камчатка) для регистрации движений земной поверхности//Оптический журнал. 1993. №10. с.82-85.

1. Вавелюк Ю.П., Яновская Т.Б. Модель- взаимодействия литосферных блоков//Вестник СПбГУ, 1997 г., серия 4, выпуск 2, стр. 13-21.

8. Василенко Н.Ф., Захаров В.К., Конопальцев И.М., Якушко Г.Г. Изучение горизонтальных движений земной коры на островах Сахалин и Шикотан//Современные движения земной коры. Теория, методы, прогноз. М. : Наука, 1980, с. 141146.

к

9. Волыхин A.M., Брагин В.Д., Зубович A.B. и др. Проявление геодинамических процессов в геофизических полях. М.: Наука, 1993. 158 с.

Ю^Габриэлов М.А., Кейлис-Борок В.Н., Левитина Т.А., Шапошников В.А. Блоковая модель динамики

литосферы//Математисческие методы в сейсмологии и геодйнамике> : Наука,. 198 6 . С. 1.6-3»'-178.. (Вычислительная сейсмология; Вып. 19).

И.Габриэлов М.А., Левшина Т.А., Ротвайн И.М. Блоковая модель динамики литосферы и прогноз землетрясений//Теория и алгоритмы интерпретации геофизических данных. М. : Наука, 1989. С.46-55. (вычислительная сейсмология; Вып. 22) .

12.Габриэлов A.M., Кособоков В.Г., Соловьев A.A. Интерпретация блоковой структуры региона посредством блоковой модели динамики литосферы//Математическое моделирование сейсмотектонических процессов в литосфере, ориентированное на проблему прогноза землетрясений. 1993. Вып.1. с.11-19.

13.Гасилов В.Л., Прозоров А.Г., Соловьев A.A., Локальное взаимодействие сейсмических событий искуственного каталога в модели динамики блоковой структуры//Современные проблемы сейсмичности и динамики Земли. М. : Наука. 1996. С.110-131. (Вычисл. сейсмология; Вып. 28).

14.Геофизические исследования блоково-слоистой структуры литосферы (методы и результаты). Магадан.: 1983. 207с.

15.Тусева Т.В., Пак Т.А., Устинов С.Н. Современные движения на Душанбинском полигоне//Прогноз землетрясений. №6. Душанбе: Дониш. 1985. с. 84-86

16. Джеффри с Г. Земля. ИЛ, М., 1960. 368 с.

17.Жаринов H.A./ Магуськин М.А., Еремеев H.H. Вертикальные смещения земной поверхности и сильные землетрясения в области . сочленения Курило-Камчатскож и Алеутской; островных дуг// Прогноз землетрясений. №11. Душанбе: Дониш. 1989. с. 211-219.

18.Костров Б. В. Механика очага тектонического землетрясения. М., "Наука", 1975.

19.Костров Б.В., Фридман В.Н. Механика хрупкого разрушения при сейсмических нагрузках//Физика очага. М., "Наука", 1975.

20.Кузьмин Ю.О. . Современная геодинамика разломных зон осадочных басейнов и процессы подготовки землетрясений// Прогноз землетрясений. №11 Душанбе: Дониш. 1989. с. 5260.

21.Курбанов М.К., Лыков В.И., Джаманов К.Д., Кузьмин Ю.О.,

TozapsEг. Т.Т\ Результаты i. п~рспехяиь. '»зученЕ.г

•деформационных процессов на Ашхабадском......геодинамическом

полигоне//Современные движения и деформации земной коры на геодинамических полигонах. М.:Наука, 1983, с.22-28.

22.Курбанов М.К., Лыков В.И., Гаипов В.И., Старченко А.И., Челпанов С. С., Шиханович Э. Л. Направление и результаты комплексных исследований современной тектонической активности на Ашхабадском геодинамическом полигоне//

Современные движения земной коры. Теория, методы,

к

прогноз. М.: Наука, 1980, с.147-151.

23.Курскеев А.К. Проблемы прогнозирования землетрясений. Алма-Ата: Наука Казахской ССР. 1990. 263 с.

24.Потоцкий В. Д. Локальные изменения превышений над активным тектоническим разломом и их связь с сейсмичностью// Прогноз землетрясений. №11. Душанбе: Дониш. 1989. с. 138-144.

25.Максимов В.И., Соловьев A.A., Групирование землетрясений в блоковой модели динамики литосферы// Современные проблемы сейсмичности и динамики Земли. М.: Наука. 1996. С.148-153. (Вычисл. сейсмология; Вып. 28).

26.Моги К. Предсказание землетрясений. М. : Мир, 19 88. 382 с.

27.Моделирование предвестников землетрясений. М.: 1980, 177 с.

2 8.Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О. Г. Лабораторные и теоретические исследования процесса подготовки землетрясений//Изв. АН СССР. Физика Земли, 1974, N 10.

. . 29 .Мячкин .В,И., : Процессы .. подготовки землетрясений. М. :. . v, Наука. 1978. с.

30.Нерсесов И.JI., Галаганов О.Н., Передерни В.П., Боканенко Л. И. Долговременные вариации поля деформаций Гармского района и их связь. с землетрясениями //Комплексные , - исследования по прогнозу землетрясений. М.: Наука, 1991. с. 166-180.

31.0спанов А.Б., Тихомиров A.B. О наклономерно-

<

деформационных предвестниках Жаланаш-Тюпского

землетрясения 25.03.1978 г.//Современные движения и деформации земной коры на геодинамических полигонах. М.:Наука, 1983, с.84-86.

32.Певнев А.К., Баранова С.М., Белокопытов В.А., Гусева Т.В., Гудновский В.С., Шевченко В.И.Современные движения и тектоника хребта Петра • Первого в Таджикистане//Современные движения и деформации земной коры на reoдинамических полигонах. М.:Наука, 1983, с.59-62.

33.Певнев А.К. Прогноз землетрясений - геодезические аспекты проблемы//Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. №12. 1988. с. 88-98.

34.Певнев А.К. Детерминированный геодезический прогноз мест подготовки сильных коровых землетрясений// Прогноз землетрясений. №11. Душанбе: Дониш. 1989. с. 11-23.

35.Певнев А.К. Еще раз о новой стратегии пргноза землетрясений//Геодинамика и картография. №8. 1992. с. 22-25.

Зб.Прилепин М.Т. Использование глобальных спутниковых гнетем, для изучения деформаций земной коры//Современная динамика литосферы континентов: Подвижные пояса. М. 1995. с.300-315.

3 7.Прилепин М.Т. Спутниковая геодезия и прогноз землетрясений//Земля и Вселенная.1990. №3.с.13-19.

3 8.Рац М.В., Чернышев С.Н. Тещиноватость и свойства

трещиноватости горных пород. М., "Недра", 1970. 39.Ризниченко Ю.В. О сейсмическом течении горных масс//Динамика земной коры. М., "Наука", 1965.

4 0.Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979.

388 с.

41.Садовский М.А., Нерсесов И.Л., Писаренко В.Ф. Иерархическая дискретная структура литосферы и сейсмический процесс//Современная тектоническая активность Земли и сейсмичность. М. : Наука, 1987, с„ 18-2™ 191.

42.Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы//Докл. АН СССР, 1979, Т.247, №4, с.829-831.

43.Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойствах дискретности горных пород//Изв. АН СССР. Физика Земли, 1982, №12, с.3-18. 1

44.Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987, 101с.

45.Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. М.: Наука, 1991.- 9 8с.

46.Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. М.: Наука.

19 с 2„ 132с.

47.Соболев Г.А., Кольцов А. В. Крупномасштабное моделирование -подготовки и предвестников землетрясений. M.s Наука. 1988. 205 с.

48.Соболев П.О., Соловьев А.А., Ротвайн И.М., моделирование динамики литосферы и сейсмичности для региона Ближнего Востока// Современные проблемы сейсмичности и динамики Земли. М. : Наука. 1996. С.131-148. (Вычисл. сейсмология; Вып.28).

4 9.Финкель В.М. Физика разрушения. М., "Металлургия", 1970. 50.Энман С.В., Остропико П.А. Закономерности движений земной поверхности на Талгарском геодинамическом полигоне (1965-1979 гг.)//Современные движения и деформации земной коры на геодинамических полигонах..М.:Наука, 1983, с.80-84.

51.Bella F. , Bella R., Biagi P.F., Ermini A., Sgrigna V. Possible precursory tilts preceeding some earthquakes (3.0<M<3.8) occurrred in Central Italy between February 1981 and June 1983.//Earthq. Predict. Res. 1986a. vol.4, pp.147-154.

52.Bella F., Bella R., Biagi P.E., \Ermini A., Sgrigna V. Possible propagation of tilt and strain anomalies: velocity and other characteristics.//Earthq. Predict.Res. 1986b. vol.4, pp.195-209.

53.Bella F., Biagi P.F., Delia Monica G, Ermini A., Sgrigna V. Tilt measurements and seismicity in Central Italy over

a period of approximately three years.//Tectonophysics. 19C.. Vol.179. ^.334-338.

54.Bella F.f Biagi P.F., Caputo M. , Delia Monica G, Ermini - A., Manjgaladze P.V., Sgrigna V., Zilpimiani D.O. Very

slow-moving crustal strain disturbances.//Tectonophysics. 1990. Vol.179, pp.131-139.

55.Bella F., Biagi P.F., Caputo M. , Delia Monica G, Ermini A., Sgrigna V. On the migration of precursors of strong earthquakes.//Terra Nova. 1992. Vol.4, pp.676-681.

56.Bella F., Biagi P.F., Caputo M., Delia Monica G, Ermini A., Sgrigna V. Ground tilt anomalies accompanying the main earthquakes occurred in the Central Apennines (Italy) during the period 1986-1989.//Nuovo Cimento. 1993. vol.l6C. pp.393-406.

57.Bella F. , Biagi P.F., Caputo M., Delia Monica G, Ermini A., Sgrigna V., Manjgaladze P.V., Zilpimiani D.O. . Possible creep-related tilt precursors obtained in the Central Apenninnes (Italy) and the Southern Caucasus (Georgia)// Pure Appl. Geophys. Vol. 144. 1995. pp. 277300.

58.Bella, M. Caputo, G. Delia Monica, W. Plastino, Sgrigna V., Vaveluk Y., Yanovskaya T., A i2-D model for till and strain fields associated to earthquakes in crustal block structures//Physics of the Earth and Planetary Interiors. 106/1-2. 1998. pp. 183-192.

59.Bilham R.G., Beavan R.J. Strains and tilts on crustal blocks././Tectonophysics. 1979 . Vol.52, pp. 121-138.

; - 6 0.Caputo.....M., 1979. Which" is the correct stress strain

relation ":for; the :anelasticity of the Earth's' interior?. Geophys. J.R. Astron. Soc., 58: 227-239.

61.Casula G., Carcione J.M. Generalized mechanical model analogies of linear viscoelastic behaviour//Boll. Geofis. Teorica Appl. 1992. Vol.34, pp.235-255.

62.Gabrielov A.M., Levshina T.A., Rotwain I.M. Block model of earthquake sequence//Phys. Earth and Planet. Inter. 1990. vol.61, pp.18-28.

63.1mamura A. On the northward movement of crustal deformation along the western boundary of the Kwanto plain//Proc. Imp. Acad. Jpn. 1931. Vol 7. Pp.315-318.

64.Keilis-Borok V.I. The lithosphere of the earth as a nonlinear system with implications for earthquake prediction// Reviews of Geophysics, vol.28. 1990. pp.lj-34.

65.Mogi K. Regularities in the spatial and temporal distribution of large - earthquake prediction//Sympos. Earthquake Forerunners Search., Tashkent, USSR, 1974.

66.Negredo A.M., Sabadini R., Biamco G., Fernandez M. Three-dimensional modelling of crustal motions caused by subduction and continental convergence in the central Mediterranean//Geophysical Jornal International. 1999. V.136. N 1. p.261-274.

67.Nur A. Dillatans, pore fluids and premonitory variations of ts/tp treval times//Bull. Seism. Soc. Amer. 1972. V.62. p.1217-1221.

68.Sholz C.H., Sykes L.R., Aggarwab Y.P. Earthquake

prediction: a physical basic//Science. 1973. V.181. N. 4102. p. 803.

i