Этапы подготовки к прерывистому скольжению на предварительно вырезанных разломах в лабораторных моделях и проверка этапов в природе

Автор(ы)

С.А. Борняков^а, Я. Го^b, И.А. Пантелеев^с, Я-К Жуо^b, А.А. Добрынина^а, В.А. Саньков^а,d, Д.В. Салко^а, А.Н. Шагун^а, А.А. Каримова^а,d

^аИнститут земной коры СО РАН, г. Иркутск, Россия

^bИнститут геологии, Сейсмологического бюро Китая, г. Пекин, Китай

^сИнститут механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь, Россия

^dИркутский государственный университет, г. Иркутск, Россия

Об авторах

Борняков Сергей Александрович,

кандидат геолого-минералогических наук,

664033 Иркутск, ул. Лермонтова, д. 128,

Институт земной коры СО РАН,

ведущий научный сотрудник,

email: bornyak@crust.irk.ru.

Го Яншуан,

доктор наук,

Институт геологии Китайского управления по землетрясениям, Пекин, Китай,

научный сотрудник,

еmail: guoysh@ies.ac.cn.

Пантелеев Иван Алексеевич,

кандидат геолого-минералогических наук,

Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия,

старший научный сотрудник,

еmail: pia@icmm.ru.

Жуо Ян-Цун,

доктор наук,

Институт геологии Сейсмологического бюро Китая, Пекин, Китай,

научный сотрудник,

еmail: zhuoyq@ies.ac.cn.

Добрынина Анна Александровна,

кандидат геолого-минералогических наук,

664033 Иркутск, ул. Лермонтова, д. 128,

Институт земной коры СО РАН, Иркутск,

Ученый секретарь,

Геологический институт им. Н.Л. Добрецова СО РАН, Улан-Удэ,

тел.: 83952426900, 89501200270,

email: scisecretary@crust.irk.ru.

Саньков Владимир Анатольевич,

кандидат геолого-минералогических наук,

664033 Иркутск, ул. Лермонтова, д. 128,

Институт земной коры СО РАН, Иркутск,

заместитель директора по науке,

664003 Иркутск, ул. Ленина, д. 3,

Иркутский государственный университет, геологический факультет,

доцент,

email: sankov@crust.irk.ru.

Салко Денис Владимирович,

664033 Иркутск, ул. Лермонтова, д. 128,

Институт земной коры СО РАН, Иркутск,

инженер,

email: salko@crust.irk.ru.

Шагун Артем Николаевич,

кандидат геолого-минералогических наук,

664033 Иркутск, ул. Лермонтова, д. 128,

Институт земной коры СО РАН, Иркутск,

ведущий инженер,

email: shagun@crust.irk.ru.

Каримова Анастасия Алексеевна,

кандидат геолого-минералогических наук,

664003 Иркутск, ул. Ленина, д. 3,

Иркутский государственный университет,

геологический факультет, ст.преподаватель,

664033 Иркутск, ул. Лермонтова, д. 128,

Институт земной коры СО РАН,

младший научный сотрудник,

еmail: geowomen_nasty@mail.ru.

Аннотация. Исследование посвящено аналоговому моделированию процесса прерывистого скольжения (“stick-slip”) вдоль существующего крупного разлома в упруго-вязкопластической модели при постоянной скорости деформации. Основываясь на полученных результатах и данных в публикациях (Ma et al., 2012, 2014), мы выделяем стабильную, метастабильную и метанестабильную стадии процесса подготовки динамической подвижки по модельному разлому. Выполненные эксперименты показали, что активизация разлома обеспечивается механизмом сегментации. Приводится анализ характера сегментации в пределах одного акта активизации разлома. Показано, что процесс сегментации реализуется в рамках регрессивного и прогрессивного сценариев. Регрессивная сегментация происходит на стабильных и метастабильных стадиях деформационного процесса. При регрессивной сегментации уменьшается количество активных сегментов и их длина. Прогрессивная сегментация начинается на ранней подстадии метанестабильной стадии процесса скольжения и диагонстируется по увеличению активных сегментов до некоторого критического уровня. На поздней подстадии этой стадии просиходит быстрое разрастание и объединение всех сегментов с последующей полной активизацией всего разлома.

Результаты моделирования использованы для интерпретации данных мониторинга деформаций горных пород на геодинамическом полигоне перед Быстринским землетрясением. Проведенный анализ подтверждает, что специфические особенности аномальной деформации пород аналогичны деформационным признакам, наблюдаемым вдоль модельного разлома на метанестабильной стадии. Это позволяет предполагать, что метанестабильное состояние разлома может быть использовано в качестве краткосрочного предвестника землетрясений.

Ключевые слова: аналоговое моделирование, прерывистое скольжение, разлом, сегментация, метанестабильная стадия, землетрясение, предвестник.

С. 52–71

Литература

Aki, K., 1965. Maximum likelihood estimate of bin the formula logN = a−bm and its confidence limits. Bulletin of the Earthquake Research Institute, University of Tokyo 43, 237–238.

Bak, P., Tang C., 1989. Earthquakes as a self-organized critical phenomenon. Journal of Geophisical Research 94(B11), 15635–15637. doi.org/10.1029/JB094iB11p15635

Bornyakov, S.A., Dobrynina, A.A., Seminsky, K.Zh., Sankov, V.A., Radziminovich, N.A., Salko, D.V., Shagun, A.N., 2021. Bystrinsky earthquake in the Southern Pribaikalye (21.09.2020, MW =5.4): general characteristic, basic parameters and deformation signs of the transition of the fosi to the meta-unstable state. Doklady Earth Sciences 498(1), 84–88. doi.org/10.31857/S2686739721050042

Bornyakov, S.A., Semenova N.V., 2011. Dissipative processes in fault zones (based on physical modeling results). Russian Geology and Geophysics 52(6), 676– 683. doi.org/10.1016/j.rgg.2011.05.010

Bornyakov, S.A., Seminsky, K.Z., Buddo, V.Y., Miroshnichenko, A.I., Cheremnykh, A.V., Cheremnykh, A.S., Tarasova, A.A., 2014. Main regularities of faulting in lithosphere and their application (based on physical modeling results). Geodynamics and Tectonophysics 5(4), 823–861 (in Russian). doi.org/10.5800/GT-2014-5-4-0159.

Bornyakov, S.A., Panteleev, I.A. (2018). The segmentation mechanism of periodic reactivation of a fault: results of physical modeling. Doklady Earth Sciences 482(1), 1178–1181. doi.org/10.1134/S1028334X18090039

Brace, W. F., Byerlee, J. D., 1966. Stick-slip as a mechanism for earthquake. Science 153, 990–992. Brillouin, L., 1964. Science and Information Theory. Acad. Press Publ., New York, 164 pp.

Brown, J.R., Beroza, G.C., Ide, S., Ohta, K., Shelly, D.R., Schwartz, S.Y., Rabbel, W., Thorwart, M., Kao, H., 2009. Deep low-frequency earthquakes in tremor localize to the plate interface in multiple subduction zones. Geophysical Research Letters 36, L19306. doi:10.1029/2009GL040027

Bruhat, L., S. Barbot, J.-P. Avouac, 2011. Evidence for postseismic deformation of the lower crust following the 2004 Mw6.0 Parkfield earthquake, J. Geophys. Res. 116, B08401. doi:10.1029/2010JB008073.

Bürgmann, R., G. Dresen, 2008. Rheology of the lower crust and upper mantle: Evidence from rock mechanics, geodesy, and field observations, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 36, 531–567. doi:10.1146/annurev.earth.36.031207.124326.

Caniven, Y., S. Dominguez, R. Soliva, R. Cattin, M. Peyret, M. Marchandon, C. Romano, V. Strak, 2015. A new multilayered visco-elasto-plastic experimental model to study strike-slip fault seismic cycle. Tectonics 34(2), 232-264. doi:10.1002/2014TC003701.

Ciliberto, S., Laroche, C., 1994. Experimental evidence of self-organization in the stick-slip dynamics of two rough elastic surface. Journal de Physique 4, 223–236. doi:10.1051/jp1:1994134

Corbi, F., F. Funiciello, M. Moroni, Y. van Dinther, P. M. Mai, L. A. Dalguer, C. Faccenna, 2013. The seismic cycle at subduction thrusts: 1.Insights from laboratory models. J. Geophys. Res. Solid Earth 118, 1483–1501. doi:10.1029/2012JB009481.

Feder, J., 1988. Fractals. Plenum Press, New York. doi.org/10.1007/978-1-4899-2124-6. Feder J. S., Feder J., 1991. Self-organized criticality in stick-slip process. Physical Review Letters 66(20), 2669–2672. doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.2669.

Haken, H., 1977. Synergetics. An Introduction. Springer‐Verlag, Berlin–Heidelberg–New York. 325 pp. Hirata, T., 1989. Fractal dimension of fault systems in Japan: Fractal structure in rock fracture geometry at various scales. Pure Applied Geophysics 131, 157–170. doi:10.1007/BF00874485.

Hubbert, M. K., 1937. Theory of scale models as applied to the study of geologic structures. Geological Society of America Bulletin 48, 1459–152.

Geller R.J., 2007. Earthquake prediction: a critical review. Geophysical Journal International 131(3), 425–450. doi.org/10.1111/j.1365-246X.1997.tb06588.x

Golitsyn, G.S., 1996. Earthquakes from the standpoint of similarity theory. Doklady Earth Sciences 346(4), 563–539.

Gomberg, J., Rubinstein, J.L., Peng, Z. G., Creager, K.C., Vidale, J.E., Bodin, P., 2008. Widespread triggering of nonvolcanic tremor in California. Science 319(5860), 173. doi.org/10.1126/science.1149164.

Gudmundsson, A., Mohajeri, N., 2013. Relations between the scaling exponents, entropies, and energies of fracture networks. Bulletin de la Societe Geologique de France 184(4–5), 373–382. doi.org/10.2113/gssgfbull.184.4-5.373.

Guo, Y., Zhuo, Y., Liu, P., Chen, S., Ma, J., 2020. Experimental study of observable deformation process in fault meta-instability state before earthquake generation. Geodynamics and Tectonophysics 11(2), 417–430. doi.org/10.5800/GT-2020-11-2-0483.

Gzovsky, М.V., 1975. Fundamentals of Tectonophysics. Nauka, Moscow, 536 pp. (in Russian) Idehara, K., Yabe, S., Ide, S., 2014. Regional and global variations in the temporal clustering of tectonic tremor activity, Earth Planets Space 66, 66. doi.org/10.1186/1880-5981-66-66.

Kagan,Y.Y., 1997. Are earthquakes predictable? Geophysical Journal International 131, 505–525. doi.org/10.1111/j.1365-246X.1997.tb06595.x.

Katsumata, A., Kamaya, N., 2003. Low-frequency continuous tremor around the Moho discontinuity away from volcanoes in the southwest Japan. Geophysical Research Letters 30(1), 1020. doi:10.1029/2002GL0159812.

Kondepudi, D., Prigogine, I., 1998. Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures: Second Edition. John Wiley and Sons, Oxford, 506 pp.

Ma J., Guo Y, Sherman S.I. Accelerated synergism along a fault: A possible indicator for an impending major earthquake // Geodynamics and Tectonophysics. 2014. Vol. 5, No. 2. P. 387–399. doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0134.

Ma J., Sherman S.I., Guo Y.S. Identification of meta-instable stress state based on experimental study of evolution of the temperature field during stick-slip instability on a bending fault // Science China Earth Sciences. 2012. V. 55. P. 869–881. doi.org/10.1007/s11430-012-4423-2.

Myachkin, V.I., Kostrov, B.V., Sobolev, G.A., Shamina, O.G., 1975. Fundamentals of the physics of earthquake foci and fore-runners. In M.A. Sadovsky (Ed.), Physics of Earthquake Focus. Nauka, Moscow, 6–29 [Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. Основы физики очага и предвестники землетрясений // Физика очага землетрясения. М.: Наука. 1975. С. 6–29.].

Nadeau, R. M., Dolenc, D., 2005. Nonvolcanic tremors deep beneath the San Andreas Fault. Science 307, 389. doi.org/10.1126/science.1107142.

Obara, K., Hirose, H., 2006. Non-volcanic deep low-frequency tremors accompanying slow slips in the southwest Japan subduction zone. Tectonophysics 417(1–2), 33–51. doi.org/10.1016/j.tecto.2005.04.013.

Olami, Z, Feder, H.J.S, Christensen, K., 1992. Self-organized criticality in a continuous, nonconservative cellular automaton modeling earthquakes. Physical Review Letters 68, 1244–1247. doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.1244.

Panteleev, I., Plekhov, O., Pankov, I., Evseev, A., Naimark, O., Asanov, V., 2014. Experimental investigation of the spatio-temporal localization of deformation and damage in sylvinite specimens under uniaxial tension. Engineering Fracture Mechanics 129, 38–44. doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.08.004.

Peng, Z., Gomberg, J., 2010. An integrated perspective of the continuum between earthquakes and slow-slip phenomena. Nature Geoscience 3(9), 599–607. doi.org/10.1038/ngeo940.

Pushcharovsky, Yu. M., 1993. Non-linear geodynamics (author's credo). Geotectonics 1, 3–7. Rogers, G., Dragert, H., 2003. Episodic tremor and slip on the Cascadia subduction zone: The chatter of silent slip. Science 300(5627), 1942–1943. doi.org/10.1126/science.1084783.

Rosenau, M., J. Lohrmann, O. Oncken, 2009. Shocks in a box: An analogue model of subduction earthquake cycles with application toseismotectonic forearc evolution. J. Geophys. Res. 114, B01409. doi.org/10.1029/2008JB005665.

Rosenau, M., Corbi, F., Dominguez, S., 2017. Analogue earthquakes and seismic cycles: experimental modelling across timescales. Solid Earth 8, 597–635. doi.org/10.5194/se-8-597-2017.

Sadovsky, M.A., Balhovitinov, L.G., Pisarenko V.F., 1982. Seismic processes in geophysical media. Izvestiya Physics of the Earth 12, 3–18.

Sekine, S., Hirose, H., Obara, K., 2010. Along-strike variations in short-term slow slip events in the southwest Japan subduction zone. Journal of Geophisical Research 115, B00A27. doi.org/10.1029/2008JB006059.

Shelly, D.R., Beroza, G.C., Ide, S., 2007. Non-volcanic tremor and low-frequency earthquake swarms. Nature 446(7133), 305–307. doi.org/10.1038/nature05666.

Seminsky, K.Zh., 1986. Structural and Mechanical Properties of Clayey Pastes as Model Material in Tectonic Experiments. Institute of the Earth’s Crust, Siberian Branch of the USSR Academy of Sciences, Irkutsk, 130 pp. VINITI 13.08.86. 5762–В86 [Семинский К.Ж. Структурно-механические свойства глинистых паст как модельного материала в тектонических экспериментах. Иркутск: ВИНИТИ, 1986. № 5762 (В 86). 130 с.].

Seminsky, K.Zh., 2003. The Internal Structure of Continental Fault Zones. Tectonophysical Aspect. GEO, Novosibirsk, 244 pp. [Семинский К.Ж. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Тектоно-физический аспект. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2003. 244 с.]

Seminsky, K.Zh., 2008. Hierarchy of the zone-block structure of the lithosphere of Central and East Asia: the ratio between the size of fault zones and blocks at different levels of the hierarchy. Russian Geology and Geophysics 49(10), 1018–1030. doi.org/10.1016/j.rgg.2007.11.017.

Sherman, S.I., 1984. Physical experiment in tectonics and the theory of similarity. Russian Geology and Geophysics 3, 8–18. [Шерман С.И. Физический эксперимент в тектонике и теория подобия // Геология и геофизика. 1984. № 3. С. 8–18.]

Sherman, S.I., Seminsky, K.Zh., Bornyakov, S.А., et al., 1991. Faulting in the Lithosphere. Shear Zones. Nauka, Novosibirsk, 261 pp.

Sutton, M.A., Orteu, J.J., Schreier, H.W., 2009. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements: Basic Concepts, Theory and Applications. Springer. 316 pp.

Stoyanov, S.S., 1977. Fault Zone Formation Mechanisms. Nedra, Moscow, 114 pp. [Стоянов С.С. Механизм формирования разрывных зон. М.: Недра, 1977. 143 с.] Tchalenko, J.S., 1970. Similarities between shear zones of different magnitudes. Geological Society of America Bulletin 81(6), 1625–1640. doi.org/10.1130/0016-7606(1970)81[1625:SBSZOD]2.0.CO;2.

Tocher, D., 1958. Earthquake energy and ground breakage. Bulletin of the Seismological Society of America 48(2), 147–153. doi.org/10.1785/BSSA0480020147.

Turcotte, D.L., 1997. Fractals and Chaos in Geology and Geophysics, Cambridge Univ. Press, Cambridge, U.K. 410 pp. doi.org/10.1017/CBO9781139174695.

Wei, M., Kaneko, Y., Liu, Y., McGuire, J.J., 2013. Episodic fault creep events in California controlled by shallow frictional heterogeneity. Nature Geoscience 6, 1–5. doi.org/10.1038/ngeo1835.

Weijermars, R., Schmeling, H., 1986. Scaling of Newtonian and non-Newtonian fluid dynamics without inertia for quantitative modelling of rock flow due to gravity (including the concept of rheological similarity), Phys. Earth Planet. Inter. 43(4), 316–330. doi.org/10.1016/0031-9201(86)90021-X.

Wilcox, R.E., Harding, T.P., Seely, D.R., 1973. Basic wrench tectonics. AAPG Bulletin 57, 74–96.

Zubarev, D.N., Morozov, V. G., Repke, G., 2002. Statistical Mechanics of Non-Equilibrium Processes. Fizmatlit, Moscow, 431 pp. [Зубарев Д.Н., Морозов В.Г., Репке Г. Статистическая механика неравновесных процессов. Физматлит, Москва, 2002. 431 с.]

Zhuo, Y.Q., Guo, Y.S., Ji, Y.T., et al., 2013. Slip synergism of planar strike-slip fault during meta-instable state: Experimental research based on digital image correlation analysis. Science China Earth Sciences 56, 1881–1887. doi.org/10.1007/s11430-013-4623-4.

Ссылка для цитирования

Борняков С.А. Этапы подготовки к прерывистому скольжению на предварительно вырезанных разломах в лабораторных моделях и проверка этапов в природе [Электронный ресурс] / С.А. Борняков, Я. Го, И.А. Пантелеев, Я-К Жуо, А.А. Добрынина, В.А. Саньков, Д.В. Салко, А.Н. Шагун, А.А. Каримова // Геология и окружающая среда.— 2023.— Т. 3, № 1.— С. 52–71. DOI 10.26516/2541-9641.2023.1.52.

Полный текст статьи (английский) | Здесь |