№ 1 (2019)

Представлен краткий обзор результатов применения метода приемных функций. В зоне фазовых переходов топография основных сейсмических границ оценивается с разрешением по глубине порядка 3 км и порядка 200 км по горизонтали. Максимальная амплитуда вариаций глубины основных границ достигает десятков километров. Установлено утонение переходной зоны мантии в горячих точках и соответствующее повышение температуры на величину порядка 100 °С. В ряде районов обнаружено 2 низкоскоростных слоя в переходной зоне мантии: один непосредственно над 410-км сейсмической границей, второй на глубине от 450 до 500 км. Происхождение первого слоя связано с высвобождением воды в мантийных плюмах при фазовом переходе оливин – вадслеит. Увеличение скорости поперечных волн в подошве второго слоя может объяснить наблюдения так называемой 520-км границы.

Традиционный подход к исследованию структуры коры и верхней мантии связан с использованием поверхностных волн. Приемные функции могут обеспечить более высокое разрешение на тех же глубинах при совместном использовании приемных функций продольных и поперечных волн. Результаты такого типа получены для Фенноскандии, Каапваальского кратона, Индийского щита, Центрального Тянь-Шаня, Байкальской рифтовой зоны, Азорских островов, островов Зеленого мыса и западного Средиземноморья. Приемные функции поперечных волн использованы в исследовании лунной коры. Совместное обращение приемных функций продольных и поперечных волн позволяет уверенно оценивать параметры сейсмических границ, включая такие слабые границы, как литосфера – астеносфера кратонов. В число определяемых параметров входит отношение скоростей продольных и поперечных волн. В рядe мест наблюдается очень высокое (> 2.0) отношение скоростей в нижней коре, которое может указывать на присутствие жидкости с высоким поровым давлением. Приемные функции позволяют оценивать параметры азимутальной анизотропии как функцию глубины. Изменение параметров с глубиной позволяет отличить активную анизотропию, связанную с современными деформациями, от замороженной анизотропии – эффекта прошлых тектонических процессов.

В статье рассматривается применение методов геоинформатики и системного анализа для обработки и интерпретации геопространственных данных в геофизике и геодинамике. Описываются современные возможности наблюдений с использованием глобальных навигационных спутниковых систем как основного поставщика геопространственных данных. Представлены достижения в области интерпретации геомагнитных данных, и в связи с этим излагаются некоторые основы системного анализа. Применение системного анализа в геофизике и геодинамике проиллюстрировано на примере подходов к решению проблемы оценки и прогноза устойчивости структурно-тектонических блоков земной коры для обеспечения геоэкологически безопасного захоронения высокоактивных радиоактивных отходов в породах Нижне-Канского массива (Красноярский край).

Рассмотрена эволюция представлений на предмет и методы современной геодинамики за последние полвека. Обсуждаются проблемы метрологического обеспечения результатов повторных наблюдений, полученных методами наземной и спутниковой геодезии. Показано, что базовые характеристики современных геодинамических процессов существенно зависят от пространст­венно-временной детальности наблюдательных систем.

Представлен вариант решения проблемы парадоксов больших и малых скоростей деформаций, обнаруженный при исследованиях на геодинамических полигонах, расположенных в сейсмо­активных и слабосейсмичных областях. Для объяснения аномальной деформационной активности платформенных разломов предложен механизм параметрического возбуждения процессов, когда флуктуации во времени внутренних параметров разломной зоны (жесткость, поровое давление, коэффициент трения), находящейся в режиме внешнего квазистатического нагружения, формируют локальные деформационные аномалии.

Демонстрируются результаты мониторинга деформаций на примере шельфового месторождения нефти. Обосновано утверждение, что концепция геодинамических полигонов является универсальной формой изучения современных деформационных процессов, позволяющая с единых позиций определять пространственно-временную структуру разномасштабных геодинамических явлений, используемых в фундаментальных и прикладных исследованиях.

Представлены основные результаты, полученные в Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта (ИФЗ) РАН в области численного геодинамического моделирования структур литосферы. Уже в первых моделях была поставлена задача описания эволюции во времени границ слоев, слагающих геологические структуры, что необходимо для детального сопоставления результатов моделирования с данными геологии и геофизики. В 1983 г. уравнение движения верхней
границы модели было дополнено описанием процессов осадконакопления и денудации. С использованием этого уравнения удалось не только построить геодинамические модели формирования осадочных бассейнов различного типа, но и выполнить математический анализ задачи об определении скоростей палеотектонических движений по данным о мощности, возрасте и фациальном составе осадочных слоев.

Новые данные о процессах формирования и эволюции крупномасштабных тектонических структур получены в рамках модели реологически расслоенной поверхностной оболочки Земли, асимптотически согласованной с конвективной моделью мантии. В частности, исследована роль маломасштабной конвекции в формировании структур литосферы в тектонических обстановках растяжения и сжатия. Численные результаты демонстрируют определяющую роль маломасштабной конвекции в астеносфере в формировании осадочных бассейнов (пострифтовых, на пассивных континентальных окраинах, в предгорных прогибах). Построенные модели послужили основой для постановки задач интерпретации разнородных данных геологии и геофизики в рамках моделей геодинамики. Приведены примеры постановки обратных задач и библиография.

Выполнены лабораторные эксперименты по исследованию афтершокового режима на образцах песчаника при различных уровнях осевых напряжений, всестороннего давления и при постоянном поровом давлении. Моделирование афтершоковых последовательностей выполнялось по сценарию ступенчатого увеличения осевой нагрузки на образец в режиме управления по деформации, который обеспечивает регулярную генерацию афтершоковых последовательностей. Эксперименты проведены на ненарушенных образцах, а также на образцах, в которых были предварительно сформированы сдвиговые макроразрывы, имитирующие природные разломы. В ходе экспериментов регистрировались сигналы акустической эмиссии (АЭ) с использованием многоканальной аппаратуры, что позволило провести локацию источников АЭ.

Выявлено несколько типов зависимости параметров релаксации акустической активности – параметров модифицированного закона Омори (p и c) и наклона графика повторяемости (b) – от уровня действующих напряжений.

Наклон графика повторяемости b уменьшается с ростом осевых напряжений на всех уровнях давления всестороннего сжатия. При разрушении по сформированному «разлому» параметр релаксации Омори p увеличивается с увеличением осевых напряжений; параметр задержки начала релаксации c уменьшается с увеличением осевых напряжений и увеличивается с увеличением давления всестороннего сжатия. При разрушении целого образца параметр p не меняется с ростом осевых напряжений, а параметр c незначительно увеличивается. Изменения параметров в случае сложного напряженного состояния, когда изменяются как девиаторная (дифференциальные напряжения), так и шаровая (эффективное давление) части тензора напряжений, приобретают унифицированный вид при переходе к кулоновским напряжениям.

Выдвинуто предположение, что задержка релаксации афтершоковой активности обусловлена кинетикой разрушения в соответствии с кинетической концепцией прочности твердых тел. Эта гипотеза подкрепляется выявленными в экспериментах экспоненциальными зависимостями параметра c от напряжений и эффективной прочности среды. В рамках этой гипотезы, на основе формулы Журкова для долговечности материала удается унифицировать зависимости параметра c от кулоновских напряжений при различных величинах эффективной прочности. Полученные оценки параметров зависимости c от прочности и напряжений позволяют предположить, что величина c определяется разностью прочности и действующих напряжений, показывая тем самым, сколь далеко напряженное состояние среды от критического, отвечающего пределу прочности.

Глобальная геодинамика определяется тепловой конвекцией в мантии, которая проявляется на поверхности в движениях, рельефе, тепловом потоке и вулканизме. На Земле тепловая конвекция осложнена тем, что вся литосфера раздроблена на жесткие плиты, земная кора разбита на шесть отдельных плавающих континентов и ряд островов, на дне мантии имеются два гигантских скопления тяжелого вещества, при высокой интенсивности восходящие конвективные потоки приобретают форму плюмов, в мантии происходят фазовые превращения вещества. Влияние многих факторов на структуру мантийных течений в основном изучено. Актуальным является согласование новых данных о фазовых переходах на глубинах 650 км–700 км с сейсмическими данными о положении этих границ. До настоящего времени не решена конечная проблема глобальной геодинамики, даже полусхематично не известна трехмерная структура течений во всей мантии, которая в целом согласовалась бы с имеющимся в настоящее время комплексом данных наблюдений геофизики, геохимии, геологии и численного моделирования.

Проведена оценка соответствия эмпирических данных по палеонапряженности и палеонаклонениям, содержащихся в мировой базе данных по палеонапряженности МБД BOROKPINT, гипотезе центрального осевого диполя (GAD) и модели Большого Гауссовского Процесса (GGP) описания вековых вариаций геомагнитного поля в эпохе Брюнеса. Методика расчета основана на представлении потенциала геомагнитного поля в виде суммы сферических функций от пространственной координаты со случайными коэффициентами, что позволяет организовать компьютерную симуляцию данных, отвечающих заданным статистическим характеристикам коэффициентов. Выполненные оценки показали, что согласно тестам Колмогорова–Смирнова и Андерсона–Дарлинга гипотеза GAD в ее канонической форме должна быть отвергнута. Расширение GAD до GGP с ненулевыми средними по времени квадрупольными и октупольными членами, приводит данные по палеонаклонениям и палеонапряженности к согласию с модельными реализациями GGP, но эти модели оказываются взаимно исключающими, поскольку их параметры не согласуются друг с другом. Тестирование данных по палеонаклонениям по модели GGP показало необходимость введения небольшой поправки к чисто дипольной составляющей геомагнитного поля. в то же время анализ данных по палеонапряженности показал, что они с очень большой вероятностью соответствуют моделям GGP с высоким вкладом квадруполя, составляющим 1/3 от дипольного коэффициента, что сильно отличается от параметров модели, соответствующей данным для палеонаклонений. Наиболее вероятной причиной такого противоречия могут быть артефакты, связанные с ошибочными определениями палеонапряженности, но и при такой интерпретации остается нерешенным вопрос о причинах столь сильной широтной зависимости интенсивности виртуального осевого диполя (VADM), фиксируемой по эмпирическим данным.