КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-47-02003

НазваниеЗакономерности и природа наведенной сейсмичности в областях тектонических и техногенных воздействий по натурным и лабораторным данным

РуководительПономарев Александр Вениаминович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№12 - Конкурс 2016 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST).

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-402 - Механизмы возникновения землетрясений, очаг, предвестники землетрясений

Ключевые слованаведенная сейсмичность, физика землетрясений, триггерные воздействия, афтершоки, РСА интерферометрия, лабораторное моделирование сейсмичности, физика разрушения горных пород

Код ГРНТИ37.31.19


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Главная цель проекта: с использованием новых методов и новых данных выполнить комплексное исследование и обобщение закономерностей развития наведенной и афтершоковой сейсмичности, получить новые представления об их природе и физических механизмах. Исследования будут опираться на новые методы анализа сейсмических каталогов, данные новых лабораторных экспериментов, включая впервые проводимые исследования образцов из индийских сверхглубоких скважин, расположенных в области очагов землетрясений в зоне наведенной сейсмичности Койна-Варна, результаты анализа сейсмических данных совместно с анализом динамики полей смещений по данным спутниковой радарной интерферометрии и результатов их геодинамического моделирования в районах наведенной сейсмичности и очаговых зон тектонических землетрясений. Решение этой задачи актуально для понимания природы и динамики сейсмического процесса в целом. В перспективе результаты проекта будут востребованы для решения принципиальных физических вопросов, лежащих в основе проблем моделирования и контроля развития опасных геодинамических процессов вследствие антропогенной деятельности и конкретизации концепции прогнозирования опасности индуцированных землетрясений. Сейсмический процесс контролируется действием различного рода обратных связей, формирующих и регулирующих эволюцию сейсмичности. Выявить и изучить эти связи в стационарном режиме трудно, поскольку фоновые вариации сейсмичности невелики, а природа их обычно плохо известна. Режимы наведенной сейсмичности являются откликом литосферы на достаточно сильные тектонические и техногенные воздействия, выводящие ее в некоторой области из стационарного состояния. В этих режимах наиболее ярко проявляются характер и особенности тех ключевых свойств среды и действующих в ней физических механизмов, которые управляют динамикой сейсмичности. Одной из наиболее перспективных областей для фундаментальных исследований по физике землетрясений является классический район наведенной внутриплитной сейсмичности Койна-Варна в западной Индии. Здесь на ограниченной территории регулярно происходят землетрясения с М > 5 уже более 50 лет после заполнения водохранилищ в 1962 г. и 1993 г. Возникновение землетрясений в этой области связывают с их инициацией вариациями уровня воды. При этом явно или неявно принимается, что очаговые зоны будущих землетрясений находятся в неустойчивом состоянии, когда небольшие по сравнению с прочностью литосферы дополнительные напряжения способны инициировать землетрясения. Быстро возрастающий в последнее время интерес к изучению условий возникновения неустойчивых сейсмических подвижек обусловлен открывающимися техническими возможностями получить новые прямые данные о физико-химических процессах и свойствах среды непосредственно на глубинах, где формируются очаги землетрясений, при повышенных температурах, давлениях и меняющихся флюидодинамических воздействиях. Уникальные работы по глубокому научному бурению выполняются в настоящее время в районе водохранилищ Койна и Варна, в результате чего в ближайшее время предполагается пройти очаговую область разрушительного землетрясения 1967-го года и получить керны пород непосредственно из этой области с глубины около 5 км и более. В настоящем проекте предусмотрен петрофизический анализ этих геоматериалов и проведение лабораторных экспериментов на сервоуправляемых прессах для моделирования переходных режимов разрушения, возникающих при различных условиях деформирования и способах инициирования процесса разрушения, непосредственно на образцах из сверхглубоких скважин в очаговой зоне землетрясений в области Койна-Варна. Лабораторное моделирование направлено на прояснение природы и механизмов формирования метастабильных областей и реализации режимов их разрушения. Основное содержание работ по проекту составляют следующие комплексные исследования: - сбор и формирование баз разномасштабных сейсмических и геофизических данных, полученных в научно-исследовательских организациях России и Индии, а также в мировых сейсмологических центрах, включая спутниковые снимки, выполненные радарами с синтезированной апертурой (РСА), по районам активного проявления наведенной и афтершоковой сейсмичности (районы крупных водохранилищ, очаговые области землетрясений); - анализ сейсмических и геофизических данных в области наведенной сейсмичности Койна-Варна совместно с анализом данных спутниковой радарной интерферометрии о смещениях земной поверхности; - анализ сейсмических данных в очаговых зонах землетрясений совместно с анализом данными спутниковой радарной интерферометрии в этих областях; - лабораторное моделирование наведенной сейсмичности и афтершоковых процессов на уникальном прессовом оборудовании Института физики Земли РАН с целью оценки физических параметров процесса разрушения и выявления факторов, определяющих особенности возбужденных сейсмических режимов с использованием уникальной коллекции образцов из глубоких скважин, расположенных в очаговой зоне землетрясений, вызванных заполнением водохранилищ Койна и Варна; - физическая интерпретация результатов; выявление закономерностей режимов наведенной и индуцированной сейсмичности, вызванных различными причинами и в различных условиях. Научная новизна поставленной задачи заключается в рассмотрении наведенной сейсмичности в областях природных и техногенных воздействий с единых физических позиций – как проявлений общей динамики сейсмичности в ответ на различные возбуждающие факторы, в переходе от традиционных для сейсмологии региональных оценок к оценкам физических параметров процесса разрушения, с привлечением данных лабораторного моделирования неустойчивости пород очаговой зоны. Впервые анализ сейсмических данных в областях наведенной сейсмичности и очаговых зонах тектонических землетрясений будет выполнен совместно с анализом данных спутниковой радарной интерферометрии о смещениях земной поверхности. Методическая новизна заключается в комплексности исследования, включающего в себя анализ разномасштабных натурных сейсмических данных в совокупности с данными спутниковой радарной интерферометрии, лабораторного моделирования изучаемых явлений с использованием уникальных образцов горных пород из очаговой области землетрясений. Такой подход позволяет преодолеть описательный характер геолого-геофизических построений и выполнить требования методологии физического исследования применительно к поставленной задаче. Выполнение проекта позволит выявить и обобщить закономерности возбужденных сейсмических режимов различного характера, конкретизировать механизмы их реализации, что в свою очередь, будет способствовать получению новых знаний о природе и динамике сейсмического процесса в целом и создаст актуальный для Российской Федерации и Индии научно-технический задел для развития физических основ прогноза индуцированных землетрясений, контроля афтершоковой сейсмичности и, в конечном итоге, уменьшения экономических последствий от воздействия сейсмических катастроф и повышения сейсмической безопасности территорий.

Ожидаемые результаты
Главным результатом проекта должно явиться новое качественное понимание и количественное описание процессов активизации и затухания сейсмической активности, основанное на новых методах анализа сейсмических каталогов, данных новых лабораторных экспериментов, включая впервые проводимые исследования образцов из очаговой зоны землетрясений области наведенной сейсмичности Койна-Варна, результаты анализа сейсмических данных в районах наведенной сейсмичности и очаговых зонах тектонических землетрясений совместно с анализом динамики полей смещений в этих районах по данным спутниковой радарной интерферометрии и результатов их геодинамического моделирования. Для решения этой основной задачи проекта должны быть получены следующие результаты: - обобщенные статистические закономерности наведенной сейсмичности в областях тектонических и техногенных воздействий; - оценки полей смещений в областях наведенной сейсмичности и в очаговых зонах землетрясений по данным РСА интерферометрии, результаты их совместного анализа с сейсмологическими данными; - физические представления о природе возбуждения и релаксации сейсмических режимов на примере наведенной и афтершоковой сейсмичности на основе обобщения результатов анализа натурных данных, включая данные спутниковой радарной интерферометрии о смещениях земной поверхности, и лабораторного моделирования с использованием материала из глубоких скважин, расположенных в очаговой зоне землетрясений области Койна-Варна; - методики анализа и оценки физических параметров режимов наведенной сейсмичности и афтершоковых процессов; - методики лабораторного моделирования режимов наведенной сейсмичности и афтершоковых процессов; - специализированные базы данных (наведенной и фоновой сейсмичности; поля смещений земной поверхности в областях наведенной сейсмичности на основе анализа данных спутниковой радарной интерферометрии; лабораторных экспериментов по моделированию наведенной сейсмичности и афтершоковых процессов). Ожидаемые результаты по своему научному содержанию соответствуют мировому уровню исследований наведенной сейсмичности, а в части совместного анализа сейсмических каталогов и спутниковых данных о смещениях земной поверхности, комплексирования анализа натурных данных с лабораторным моделированием будут превосходить известные в настоящее время мировые результаты. Ожидаемые результаты могут быть использованы компаниями, научными и экспертными организациями, связанными с долгосрочным прогнозом воздействия природных и техногенных процессов при строительстве и эксплуатации крупных гидротехнических объектов народного хозяйства; оказывающими консультационные и страховые услуги; разработчиками электронно-информационных технологий; органами исполнительной власти, в компетенции которых находятся вопросы планирования регионального социально-экономического развития. Методики анализа и оценки параметров режимов наведенной сейсмичности и афтершоковых процессов могут быть внедрены в НИР Геофизической службы РАН, научно-исследовательских подразделений МЧС РФ, учреждений РАН. Методика для лабораторного моделирования режимов наведенной сейсмичности и афтершоковых последовательностей может быть внедрена в НИР в учреждениях РАН, а также в отраслевых научно-исследовательских институтах, занимающихся проблемами длительной прочности материалов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Главная цель проекта: с использованием новых методов и новых данных выполнить комплексное исследование и обобщение закономерностей развития наведенной и афтершоковой сейсмичности, получить новые представления об их природе и физических механизмах. Исследования опираются на новые методы анализа сейсмических каталогов, данные новых лабораторных экспериментов, включая впервые проводимые исследования образцов из индийских глубоких скважин, расположенных в области очагов землетрясений в зоне наведенной сейсмичности Койна-Варна, результаты анализа сейсмических данных совместно с анализом динамики полей смещений по данным спутниковой радарной интерферометрии и результатов их геодинамического моделирования в районах наведенной сейсмичности и очаговых зон тектонических землетрясений в наиболее сейсмоактивных районах России и Индии. В соответствии с планом исследований по проекту в 2016 году получены следующие главные результаты. 1. Систематизированы разнородные исходные геофизические и спутниковые данные, получены оценки их представительности и пригодности для решения задач проекта, сформированы унифицированные базы данных, обеспечивающие удобное выполнение предметного анализа в целях выполнения проекта. 2. Сформирована специализированная коллекция разноглубинных кернов из глубоких скважин в области наведенной сейсмичности Койна-Варна. Коллекция является уникальной, поскольку масштабное глубокое бурение в очаговой зоне наведенной сейсмичности с научными целями производится впервые в мире. Впервые выполнен петрофизический анализ характерных образцов коллекции. Коллекция обеспечивает керновым материалом актуальные для целей проекта экспериментальные работы. 3. Развита техника лабораторного моделирования наведенной сейсмичности и афтершоковых процессов. Решены вопросы аппаратного, методического и алгоритмического обеспечения для выполнения экспериментов, адекватных целям и задачам проекта. Апробация аппаратно-программного комплекса показала его эффективность, а проведенные эксперименты позволили получить актуальные и новые результаты. 4. Развита методика совместного анализа данных сейсмологии и радарной спутниковой интерферометрии для районов афтершоковой активности, обеспечивающая получение оценок деформационных характеристик, отражающих сейсмические и асейсмические процессы в очаговых зонах сильных землетрясений. 5. Получены первые оценки актуальных для темы проекта характеристик афтершоковых процессов в наиболее сейсмоактивных областях Российской федерации (Курило-Камчатская зона) и Индии (Гималаи и прилегающие территории). Обнаружены новые закономерности афтершоковых и деформационных режимов. 6. На основе лабораторного моделирования афтершоковых процессов на модельном природном материале обнаружена связь параметров афтершоковых режимов с характером и величиной напряжений. Результат актуален для интерпретации закономерностей, обнаруженных в натурных условиях. 7. Выявлены особенности сезонного отклика наведенной сейсмичности в области водохранилищ Койна-Варна на годовые вариации уровня воды в водохранилищах. Обнаруженная изменчивость отклика может быть связана с изменениями напряженно-деформированного состояния и свойств сейсмогенной области, что определяет кардинальное направление дальнейших исследований по проекту. Ниже полученные результаты представлены более подробно. 1. На основе и в составе БД десяти региональных каталогов землетрясений сформированы БД афтершоковых последовательностей в активных тектонических областях основных типов: зонах субдукции, континентальной сейсмичности и сдвиговых разломов. В дополнение к ожидаемым результатам 2016-го года сформированы БД афтершоковых последовательностей землетрясений Памира (Таджикистан), Курильской дуги и областей наведенной сейсмичности. Сформированные БД содержат сведения о 2499 афтершоковых последовательностях, из них 377 последовательностей имеют объем более 150-ти афтершоков. По данным, предоставленным индийской стороной, пополнена имеющаяся региональная БД наведенной сейсмичности в области Койна-Варна (6996 записей до 31.12.2015). На основании данных Индийского метеорологического агентства (IMD), предоставленных индийской стороной, сформированы БД землетрясений Гималаев и прилегающих территорий для сильных землетрясений (M>=4.5) за период 1505-2014 гг. и для всех событий за период 1505-2008 гг. 2. На основе впервые выполненного анализа данных за весь период сейсмических инструментальных наблюдений в районе водохранилищ Койна-Варна выявлены особенности проявления цикличности отклика наведенной сейсмичности. Сезонная сейсмическая активность минимальна в мае-июне, когда минимален уровень воды в водохранилищах. В остальное время года выделяются три пика активности: осенью в сентябре, зимой в ноябре-декабре и весной в феврале-апреле. Показано, что относительная интенсивность сезонных компонент меняется во времени. 3. Обнаружены зависимости параметров модифицированного закона Омори и Гутенберга-Рихтера от уровня действующих напряжений и давления всестороннего сжатия по данным лабораторного эксперимента. Характер изменения параметра Омори оказался существенно различным для целого (ненарушенного) образца и для образца с существующим разломом (естественным или пророщенным). Зависимость от давления всестороннего сжатия как параметра Омори, так и наклона графика повторяемости проявляется в том, что с увеличением давления те же значения параметров достигаются при более высоких уровнях осевых напряжений. В случае обводненных образцов с разломом обнаружена антикорреляция параметров Омори и Гутенберга-Рихтера. 4. Получены оценки параметров Омори и Гутенберга-Рихтера для афтершоковых последовательностей в нескольких актуальных для темы проекта регионах: Камчатка, Курильские острова и Сахалин, Гималаи и примыкающие к ним районы. Оценка и сопоставление указанных параметров афтершоковых последовательностей для выбранных районов проведены, по-видимому, впервые. Вопрос о возможной природе корреляции параметров Омори и Гутенберга-Рихтера остается в настоящее время открытым. Лабораторные исследования показали наличие статистической связи этих параметров, что делает актуальным проведение более глубокого экспериментального и теоретического исследования вопроса. 5. Предложены, разработаны и опробованы методики лабораторного моделирования наведенной сейсмичности и афтершоковых процессов, основанные на двух режимах одноосного нагружения. Первый режим – резкая деформационная ступенька при максимально быстром однократном перемещении пуансона на заданную величину с последующей выдержкой при неизменной деформации. Второй режим – линейное нарастание деформации с различной скоростью и последующей выдержкой при неизменной деформации. Деформационные ступеньки задаются при различных уровнях действующих напряжений. Предложена и опробована в реальных экспериментах методика первичного анализа зарегистрированных в опытах волновых форм акустических сигналов, позволяющая в автоматическом режиме определять моменты первых вступлений, оценивать изменения скорости упругих волн, производить локацию источников акустических сигналов и формировать каталог акустических событий. 6. На основе современных аналогово-цифровых модулей разработана, отмакетирована и опробована высокоскоростная многоканальная (до 28 каналов) система регистрации сигналов акустической эмиссии, предназначенная для непрерывной и синхронной регистрации потока акустических сигналов с помощью комплекта пьезодатчиков при частоте оцифровки сигналов до 7.5 МГц на канал. Разработаны и испытаны аппаратно-программные средства синхронизации данных, регистрируемых различными системами измерений, а также схемотехнические решения системы регистрации акустической эмиссии и тензометриии. 7. Совместно с индийской стороной подготовлены коллекции горных пород для использования в лабораторных экспериментах на основе полноразмерных кернов из глубоких скважин, пробуренных в районе Койна-Варна. Часть коллекции передана российской стороне для подготовки лабораторных образцов, выполнен анализа их состава, определены петрофизические свойства, проведены пилотные эксперименты по формированию зоны разрушения. 8. Создана база интерферометрических данных для района Олюторского землетрясения (Корякия) и района Горха (Непал), которая кроме 48 снимков включает необходимую для расчетов информацию: уточненные орбиты, данные по базовым линиям и разнице частот доплеровского центроида, цифровые модели рельефа. 9. Выполнен расчет всех возможных парных интерферограмм (более 500) по району Олюторского землетрясения. Выполнена развертка и впервые получены поля смещений в направлении визирования спутника для главного события и двух крупных афтершоков 29/04/2006 и 22/05/2006 магнитудой Mw=6.6. 10. Предложена методика совместного анализа данных сейсмологии и радарной спутниковой интерферометрии с привлечением результатов геологических съемок о положении основных тектонических нарушений, наземных сейсмотектонических исследований и результатов дешифрирования космоснимков. Построена начальная модель поверхности разрыва главного события, которая была уточнена путем решения обратной задачи по РСА данным. Составлено новое программное обеспечение, основанное на устойчивом методе решения системы уравнений и позволяющее вводить ограничения на неизвестные параметры. Построено 5 парных интерферограмм и оценены поля смещений для землетрясения Горха (Непал) Mw=7.8 и его главного афтершока Mw=7.3 по снимкам спутника Sentinel-1А. Поля смещений оценены с восходящего и нисходящего треков, что позволит построить модели поверхностей разрыва с использованием данных с двух углов видения и данных GPS с использованием методики и программного обеспечения для совестного анализа разнородных данных, разработанного и опробованного в рамках проекта. 11. Для постановки задачи совместного анализа данных сейсмологии и радарной спутниковой интерферометрии для областей крупных водохранилищ совместно с индийскими коллегами выполнен детальный анализ публикаций по району водохранилищ Койна и Варна и имеющихся геолого-геофизических данных. Анализ показывает, что сейсмические события могут инициироваться факторами, вклад которых возможно меняется с течением времени. Главными из них, по-видимому, являются: нагрузка водохранилища и ее сезонные вариации; обводнение разломов и продвижение вдоль них фронта разрушения при изменении уровня воды в водохранилищах; продвижение фронта повышенного порового давления на глубину 6-8 км, где располагаются очаги местных землетрясений. Важно, что сейсмичность концентрируется в сдвиговой зоне Койна простирания СВ-ЮЗ и на расположенных южнее нормальных сбросах зоны Варна простирания СЗ-ЮВ. Первые результаты измерений на повторных пунктах GPS показали, что амплитуда смещений тектонической природы достаточна для применения спутниковой радарной интерферометрии. Проведенные исследования создают основу для выполнения задач проекта и достижения его главной цели: с использованием новых методов и новых данных выполнить комплексное исследование и обобщение закономерностей развития наведенной и афтершоковой сейсмичности, получить новые представления об их природе и физических механизмах.

 

Публикации

1. Михайлов В.О., Арора К., Пономарев А.В., Шринагеш Д., Смирнов В.Б., Чадда Р. Наведенная сейсмичности в районе водохранилищ Койна и Варна, Западная Индия: обзор современных данных и гипотез Физика Земли, - (год публикации - 2017)

2. Смирнов В.Б., Шринагеш Д., Пономарев А.В., Чадда Р., Михайлов В.О., Потанина М.Г., Карташов И.М., Строганова С.М. Режим сезонных вариаций наведенной сейсмичности в области водохранилищ Койна-Варна, Западная Индия Физика Земли, - (год публикации - 2017)

3. - 11-я Генеральная Ассамблея Азиатской сейсмологической комиссии Вестник Отделения наук о Земле РАН, "Электронное периодическое издание". Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77 - 46858 от 04.10.2011., Пономарев А.В. 11-я Генеральная Ассамблея Азиатской сейсмологической комиссии // Вестник ОНЗ РАН. 2016. №12. (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В соответствии с планом работ в 2017 году продолжены комплексные исследования по поиску закономерностей вызванной и афтершоковой сейсмичности в районе Койна-Варна с использованием развитых методов анализа сейсмических каталогов. Выполнены лабораторные эксперименты на образцах горных пород из индийских глубоких скважин, проанализирована динамика полей смещений земной поверхности по данным спутниковой радарной интерферометрии. Получены следующие главные результаты. 1. Сформированы базы предоставленных индийской стороной данных (БД) о вариациях уровня воды в 20 скважинах по долговременным рядам наблюдений (1995-2015 годы), и о расходе и поступлении воды в водохранилище Койна за 1962 по 2012 годы вместе с данными об инфильтрации воды через дно водохранилища Койна. Ранее созданные БД пополнены обновленным каталогом землетрясений в регионе Койна-Варна за период с 1963 по 2015 год. Общий объем полевых БД превысил 5 млн. записей. Созданы БД лабораторных экспериментов по моделированию афтершоковых процессов и процессов разрушения при повышении порового давления и фильтрации флюида и БД характеристик исследуемых образцов. Сформированные БД содержат сведения обо всех исследованных по проекту образцах горных пород, в том числе, о первичных кернах из скважин районов Койна–Варна и Латур (Индия). 2. На основе сопоставления амплитуд приливных гармоник (М2 и О1) с расчетными значениями объемной деформации для группы водомерных скважин в районе Койна-Варна вычислены калибровочные коэффициенты, которые характеризуют тензочувствительность скважин на периодах выбранных приливных волн. Сделаны оценки изменения приливного "отклика" уровня воды в скважинах во времени и пространстве. Систематическая связь вариаций тензочувствительности с сезонными проявлениями сейсмического режима на интервале наблюдений не выявлена. В то же время обнаружено увеличение тензочувствительности перед единственным в этом районе землетрясением М4.6, инструментальный эпицентр которого располагался на расстоянии 1 км от скважины. Выявлена связь изменения характера сезонной сейсмической активности с особенностями локального тектонического режима по данным о фокальных механизмах очагов землетрясений. Изменения сезонной сейсмической активности после заполнения водохранилища Койна на севере обусловлены миграцией на юг наведенной сейсмичности вдоль сдвиговой разломной зоны Доначивада и последующей активизацией сопряженных с ней сбросовых разломов на юге. Выдвинуто предположение, что миграция разрушения с севера на юг опережала диффузию флюида от водохранилища Койна, а последующее достижение фронтом обводнения южной сбросовой зоны вызвало повторную реактивацию сезонной сейсмичности. Это предположение подкрепляется результатами лабораторного моделирования на образцах гранитов из области Койна-Варна. Получены оценки параметров закона повторяемости в сезонных компонентах наведенной сейсмичности. Выявлены характерные изменения параметров при сезонной активизации сейсмичности (на примере области Койна-Варна), а также в процессе заполнения водохранилища (на примере Нурекского водохранилища). Эти изменения свидетельствует о перераспределении процесса разрушения по масштабным уровням. Уменьшение наклона графика повторяемости на стадии активизации сезонной сейсмичности соответствует сценарию ЛНТ (лавинно-неустойчивого трещинообразования), а увеличение этих параметров на спаде активности отвечает сценарию афтершоковой релаксации. Получены оценки устойчивости параметров афтершоковых последовательностей к селекции исходных данных. Показано, что основным фактором, влияющим на оценки параметров Гутенберга-Рихтера и Омори, является представительная магнитуда каталога афтершоков. Разработана методика анализа, опирающаяся на варьирование порогов селекции. Получены совместные оценки параметров Гутенберга-Рихтера и Омори афтершоковых последовательностей в области зон субдукции по каталогам Камчатки, Курильских островов и Японии, в области наведенной сейсмичности Койна-Варна и в области Нурекского водохранилища до и во время его заполнения. Обнаруживается значимая, но разнознаковая (положительная и отрицательная) корреляционная связь наклона графика повторяемости b и показателя степенного спада афтершоковой активности p. Результаты лабораторного моделирования афтершоковых процессов, свидетельствуют о зависимости значений b и p от напряженного состояния образца и структуры разрушения. 3. Выполнены лабораторные эксперименты по инициированию процессов разрушения при повышении порового давления и фильтрации флюида при различных режимах нагружения. Разработана, создана и применена в экспериментах оригинальная система контролируемой подачи порового давления в образец. Показано, что скачки порового давления вызывают отклик акустической активности, как в нагруженном, но сохраняющем целостность образце (intact), так и в образцах с зоной разрушения (макротрещиной). В последних случаях наблюдается реактивация макротрещины. Выявлены особенности АЭ в зависимости от условий нагружения, порового давления и петрофизических характеристик образца. Обнаружен эффект задержки максимума акустического отклика относительно момента подачи порового давления. Методами инфракрасной, рамановской и фотолюминесцентной спектроскопии исследованы параметры структуры и минералогический состав поверхностей в сдвиговых зонах разрушения в лабораторных экспериментах и в образцах с естественным зеркалом скольжения в деканских базальтах. Результаты сопоставлены с параметрами и составом поверхностей вне зон разрушения. Показано, что тонкие поверхностные слои сдвиговых нарушений в этих образцах толщиной 1-4 мкм состоят из глинистых минералов с низким коэффициентом трения, в то время как на поверхности ненарушенных областей концентрация таких минералов относительно невелика. 4. Собрана база спутниковых радарных снимков на район водохранилищ Койна и Варна, которая включает серию из 13 снимков, выполненных с 12.01.2007 г по 10.03.2011 г. с восходящей орбиты спутника ALOS-2 PALSAR и снимки спутника Sentinel-1A. Обработка этих снимков проведена методами малых базовых линий и устойчивых отражателей. Введены поправки за неточное знание орбит, рельефа, атмосферные эффекты, не только с использованием возможностей пакета StaMPS/MTI, но и методами коррекции из пакета TRAIN, на основе данных Европейского центра прогноза погоды (ECMWF). Главное, что во всех вариантах счета на интерферометрических парах со снимками после 2008 г устойчиво проявляется область смещений от спутника южнее водохранилища Варна. Именно в этот период и именно в этой области произошла серия землетрясений, включая два крупных события 14.11.2009 Mw=5.0 и 12.12.2009 Mw=5.2. Интерферограммы вычисленные по парам снимков, следующим друг за другом по времени показали, что смещения произошли именно в период землетрясений с магнитудой более 5. 5. Построена серия парных интерферограмм и поля смещений в направлении на спутник для области землетрясения Горха и его афтершока 15.05.2015 по снимкам спутников Sentinel-1A и ALOS-2. Выполнено сопоставление величин смещений за различные периоды времени по интерферограммам, построенным по снимкам одного диапазона длин волн и в одной геометрии съемки. Оценены постсейсмические смещения в области главного события. Их главная особенность состоит в том, что на большей части области разрыва косейсмические и постсейсмические смещения имеют обратный знак. Планируется более детальный анализ постсейсмических смещений и их численное моделирование. Построены модели поверхности разрыва и поля смещений для области землетрясения Горха и его афтершока 12.05.2015. При моделировании главного события использована сложная геометрия поверхности разрыва, предложенная [Sreejith et al., 2016], данные РСА интерферометрии и GPS. Максимальное смещение на поверхности разрыва, оцененное по снимкам спутника ALOS-2, достигает 6 м, что согласуется с оценками, полученными по другим группам данных. 6. Построена новая модель Олюторского землетрясения, в которой основные смещения происходят по слепой надвиговой зоне, уходящей на северо-запад от выхода сейсморазрывов на поверхность, а в ее тыловой части расположены крутопадающие поверхности разрыва, аппроксимирующие закартированные на дневной поверхности правосторонние сдвиги.

 

Публикации

1. Арора K., Чадда Р.К., Шрину И., Селлес А., Шринагеш Д., Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Михайлов В.О. Lineament Fabric from Airborne LiDAR and its Influence on Triggered Earthquakes in the Koyna-Warna Region, Western India Journal Geological Society of India, Vol.90, December 2017, pp.670-677 (год публикации - 2017)

2. Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Арора К., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П., Патонин А.В. Изменение строения поверхностного слоя гетерогенного твердого тела (гнейса) при сдвиге Физика твердого тела, том 59, вып. 7, с.1319-1322 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.21883/FTT.2017.07.44595.462

3. Михайлов В.О., Киселева Е.А., Арора К., Тимошкина Е.П., Смирнов В.Б., Чадда Р., Пономарев А.В., Шринагеш Д. Новые данные об Олюторском землетрясении, полученные с применением спутниковой радарной интерферометрии Вулканология и сейсмология, - (год публикации - 2018)

4. Смирнов В.Б., Михайлов В.О., Пономарев А.В., Арора К., Чадда Р., Шринагеш Д. О динамике сезонных компонент наведенной сейсмичности в области Койна-Варна, Западная Индия Физика Земли, - (год публикации - 2018)

5. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Карцева Т.И., Михайлов В.О., Чадда Р.К., Айдаров Ф. Динамика наведенной сейсмичности при заполнении Нурекского водохранилища Физика Земли, - (год публикации - 2018)

6. - Землетрясение в Койна, Индия — 50 лет спустя Вестник Отделения наук о Земле РАН, "Электронное периодическое издание". Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77 - 46858 от 04.10.2011., Пономарев А.В. Землетрясение в Койна, Индия — 50 лет спустя // Вестник ОНЗ РАН. 2017. №12. (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Предложено новое качественное понимание и количественное описание процессов активизации и релаксации сейсмичности в районах триггерных землетрясений и афтершоковой сейсмичности на основе обобщения результатов анализа натурных сейсмологических данных, в совокупности с данными спутниковой радарной интерферометрии о смещениях земной поверхности, геодинамическим моделированием и лабораторным моделированием сейсмических режимов. Выявлены закономерности развития сейсмического процесса в пространстве и времени в районах водохранилищ Койна-Варна и Нурек, проанализированы результаты геодинамического и лабораторного моделирования сейсмических режимов, аномалии гравитационного и магнитного полей, предложена новая схема линеаментов в районе Койна-Варна. Интерпретация этих закономерностей позволила выдвинуть физические гипотезы о природе возбуждения и релаксации сейсмических режимов на примере наведенной и афтершоковой сейсмичности. Сопоставление результатов лабораторных экспериментов при изменении размерности области разрушения – формировании в целом образце макроскопической квазидвумерной «разломной зоны» – с результатами натурных исследований фоновых и переходных режимов сейсмичности выявили связь энергетических и пространственных показателей самоподобия процесса разрушения. Предложена модель для объяснения взаимосвязи параметров самоподобия афтершокового спада активности, обнаруженной в натурных и лабораторных условиях, на основе комбинации экспоненциальных релаксационных процессов с распределенными по управляющему параметру временами релаксации. В результате обобщения выявленных в лабораторных экспериментах зависимостей статистических и физических параметров переходных режимов разрушения горных пород от уровня действующих напряжений, характера напряженного состояния и структуры разрушения выявлены общие закономерности возбуждения и релаксации переходных режимов, рассмотрены гипотезы об их природе. Анализ физических механизмов разрушения в рамках кинетической концепции Журкова показывает, что инициация переходных сейсмических режимов может быть как результатом изменения напряженного состояния среды, так и носить параметрический характер, то есть, быть обусловленной изменением прочностных свойств среды. Лабораторные эксперименты показали, что в случае изменения сложного напряженного состояния среды, когда меняются девиаторные напряжения, давление всестороннего сжатия и поровое давление, кулоновские напряжения являются тем фактором, который контролирует зависимость параметров переходных режимов разрушения от напряженного состояния среды. Синтез полученных данные приводит к заключению, что водохранилища Койна и Варна располагаются над широкой сдвиговой зоной простирания СЗ-ЮВ. Повторяющиеся смещения по разломам фундамента этой сдвиговой зоны под действием региональных тектонических напряжений приводили к увеличению проницаемости и, как следствие, к обводнению разломов и росту порового давления. Свой вклад в сейсмический процесс вносила и нагрузка от водохранилищ и сезонная динамика их эксплуатации. Постепенное продвижение фронта обводнения вначале от резервуара Койна в сторону резервуара Варна, а затем вокруг Варны, контролируемое в том числе и сезонностью наполнения водохранилищ, объясняет выявленную нами динамику развития сейсмического процесса в регионе. Наличие водонасыщенной системы разломов в пределах активной сдвиговой зоной простирания СЗ-ЮВ объясняет длительность и диффузный характер наведенной сейсмической активности. Предполагаемая сдвиговая зона Койна-Варна могла обеспечивать длительное поддержание критического уровня напряжений, необходимого для постоянной генерации наведенной сейсмичности в водонасыщенных разломах фундамента. В лабораторных экспериментах продемонстрирована возможность многократной реактивации искусственного разлома в условиях переменного порового давления, что наблюдается в природных условиях как периодическое оживление сейсмической активности при накоплении и сбросе воды в водохранилищах Койна и Варна. То обстоятельство, что сейсмогенная зона Койна почти перпендикулярна простиранию региональной сдвиговой зоны СЗ – ЮВ, а сейсмогенная зона Варна почти параллельна ей, объясняет различия в механизмах очага и в проявлениях сезонной сейсмической активности в этих двух зонах. Схема линеаментов построена путем анализа детального рельефа по данным лидаров, магнитных аномалий, полевых изысканий и данных об ориентации разрывов на различных глубинах в кернах и в стенках скважин. Сопоставление этих данных показывает, что разрывные нарушения в базальтовых траппах имеют унаследованный характер и в основном являются результатом продвижения вверх разрывных нарушений гранитного фундамента. Присутствие многочисленных поверхностей сдвига в кернах базальтов указывает на повторявшуюся реактивацию сейсмического процесса и продвижение вверх разломов и трещин гранитного фундамента в перекрывающие базальты. Эксперименты по физическому моделированию сдвиговых нарушений в гранитах и базальтах и анализ строения поверхностей сдвига методами спектрометрии показали, что на поверхности трущихся горных пород образуется тонкий слой глинистых минералов с низким коэффициентом трения, что, по-видимому, способствует уменьшению сдвиговой прочности разломных зон. Моделирование поверхности разрыва и поля смещений было выполнено для землетрясения Горха (Непал) и его афтершока 12.05.2015 с Mw=7.3. Модель существенно детализирована, использована сложная геометрия поверхности разрыва, учитывающая изменение угла падения зоны надвига с глубиной. Решение обратной задачи выполнено по данным РСА интерферометрии и GPS. Для этого разработано новое ПО, которое основано на функциях Грина для сферической радиально расслоенной Земли, производит подбор под РСА и GPS данные с учетом их точности и использует новую форму регуляризирующего функционала. Для главного события построены две модели, содержащие 60 и 240 элементов разбиения. Во всех моделях максимальное смещение на поверхности разрыва достигает 6 метров и происходит вдоль Главного Гималайского надвига на глубинах 6–12 км. Выполненное исследование позволило отработать и протестировать методику обработки РСА данных в сложных горных условиях и получить модели поверхности разрыва, согласующиеся со всем комплексом имеющихся данных. Разработанные и протестированные методы и ПО были применены к району Койна и Варна. Технология устойчивых отражателей в зависимости от методов обработки серии снимков ALOS PALSAR позволила идентифицировать от 181062 (пакет SARscape) до 623411 (пакет StaMPS) устойчивых отражателей. Четко выраженных смещений в окрестности тектонических разломов не выявлено. В то же время обнаружена область, расположенная южнее водохранилища Варна, где направление и скорости смещений остаются постоянным во всех вариантах обработки и где в период, покрываемый РСА снимками, произошли землетрясения с магнитудой более 5. Построенные модели поверхности сейсмического разрыва согласуются с положением разломов в гранитном фундаменте, выявленным по геофизическим полям. Полученные результаты убедительно доказали, что поля смещений, создаваемые землетрясениями с магнитудой 5 и более в специфических условиях Западной Индии, могут быть зарегистрированы методами РСА интерферометрии. 1. «Российские и индийские ученые объяснили сезонную миграцию сейсмической активности в районе Койна (Индия)» - Сообщение официального сайта ИФЗ РАН: http://www.ifz.ru/novosti/?tx_ttnews%5Btt_news%5D=1544&cHash=c6fc7195be32b71f7f11f2d1ffa65c91. 2. «Землетрясение руками человека» - Заметка о наведенной сейсмичности на портале «Научная Россия» https://scientificrussia.ru/articles/zemletryasenie-rukami-cheloveka. 3. Вестник ОНЗ РАН, https://onznews.wdcb.ru/news18/50-letie-zemletryaseniya-v-kojne.html.

 

Публикации

1. Arora K., Srinu Y., Gopinadh D., Chadha R. K., Raza H., Михайлов В., Пономарев А., Киселева Е., Смирнов В. Lineaments in Deccan Basalts: The Basement Connection in the Koyna–Warna RTS Region Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 108, No. 5B, pp. 2919–2932 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1785/0120180011

2. Веттегрень В.И., Arora K., Пономарев А.В., Мамалимов Р.И., Щербаков И.П., Кулик В.Б. Изменение строения поверхностей базальта и гранита при трении Физика твердого тела, том 60, вып. 5, с. 965-969 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.21883/FTT.2018.05.45796.343

3. Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Arora K., Haris Raza, Мамалимов Р.И., Щербаков И.П., Фокин И.В. Наносекундная динамика разрушения гетерогенных природных тел при трении Физика твердого тела, 2018, том 60, вып. 11, с. 2260-2264 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.21883/FTT.2018.11.46674.057

4. Веттегрень В.И., Пономарев А.В., Arora K., Мамалимов Р.И., Кулик В.Б. Infrared spectroscopy study of the shear crack surfaces structure in rocks Seismic Instruments, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.21455/si2018.4-3

5. Лапшин В.Б., Смирнов В.Б., Скубачевский А.А., Пономарев А.В., Патонин А.В., Хромов А.А., Потанина М.Г. Numerical and Laboratory Experiments on the Destruction of Construction Materials under the Impact of an Electromagnetic Field Moscow University Physics Bulletin, Vol. 73, No. 5, pp. 558–563. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3103/S0027134918050119

6. Михайлов В. О., Киселева Е. А., Тимошкина Е. П., Смирнов В. Б., Пономарев А. В., Дмитриев П. Н., Карташов И. М., Хайретдинов С. А., Арора К., Чадда Р., Шринагеш Д. Совместная интерпретация наземных и спутниковых данных для землетрясения Горха, Непал, 25.04.2015 Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2018. Т. 15. № 4. С. 119–127 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.21046/2070-7401-2018-15-4-119-127

7. Патонин А.В., Шихова Н.М., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. Module system of continuous acoustic emission registration for laboratory studies of the rocks destruction processes Seismic Instruments, 2019. V. 55, Issue 3 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.21455/si2018.3-3

8. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Станчиц С.А., Потанина М.Г., Патонин А.В., Dresen G., Narteau C., Bernard P., Строганова С.М. Лабораторное моделирование афтершоковых последовательностей: зависимость параметров Омори и Гутенберга-Рихтера от напряжений Физика Земли, - (год публикации - 2019)

9. Казначеев П.А., Майбук З.-Ю.Я., Пономарев А.В., Смирнов В.Б., Бондаренко Н.Б. Оценка статистических параметров потока событий термоакустической эмиссии по данным датчика интегральной акустики Актуальные проблемы метода акустической эмиссии (АПМАЭ-2018): Всероссийская конференция с международным участием (Тольятти, 28 мая – 1 июня 2018): сборник материалов, Актуальные проблемы метода акустической эмиссии (АПМАЭ-2018): Всероссийская конференция с международным участием (Тольятти, 28 мая – 1 июня 2018): сборник материалов / отв. ред. Д.Л. Мерсон, А.Ю. Виноградов. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2018. С. 107-108 (год публикации - 2018)

10. - Участники проекта РНФ-DST стали приглашенными редакторами специального выпуска Bulletin of the Seismological Society of America, посвященного 50-летию трагического землетрясения в Койне (Индия) Вестник Отделения наук о Земле РАН. Лицензия Роскомнадзора: Эл No ФС77-46858, - (год публикации - )

11. - ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ РУКАМИ ЧЕЛОВЕКА Электронное периодическое издание «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС77-46778 от 30.09.2011, - (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Полученные в проекте результаты анализа сезонного поведения сейсмичности в районе искусственных водохранилищ имеют большое значение для безопасной эксплуатации этих объектов. Как показали результаты анализа данных по водохранилищам Койна и Варна, сейсмические процессы начинаются при достижении предельно допустимого уровня воды в резервуаре, но имеет место так же и задержанный отклик, в том числе и на пике разгрузки. Полученные в проекте результаты могут и должны использоваться в практике эксплуатации конкретных водохранилищ для оценки предельно допустимого уровня и при разработке безопасного сценария заполнения - отбора. Разработанные в проекте технологии обработки и интерпретации радарных спутниковых снимков важны не только для мониторинга смещений в областях водохранилищ, но имеют перспективы широкого применения при изучении смещений на любых опасных техногенных и природных объектах. Это просадки над шахтами и тоннелями, устойчивость мостов, трубопроводов, бортов карьеров при открытых разработках, оползни и мн. другие. Отметим, что Россия существенно отстает в разработке и применении таких технологий и результаты проекта способствуют сокращению имеющегося разрыва. Перспективы здесь связаны с разработкой российского программного обеспечения и с практическим применением методов спутниковой радарной интерферометрии. Полученные в рамках проекта аппаратурно-методические разработки важны для развития методов изучения физических свойств природных и технических материалов при различных видах нагружения, в том числе и при инжекции флюида. Одно из очевидных приложений этих методов - это изучение пород-коллекторов в интересах рациональной разработки месторождений нефти и газа и добычи трудно извлекаемых запасов.