Изучение геодеформационных процессов в основном осуществляется при помощи современных геодезических, сейсмических, деформационных измерений. Использование анализа особенностей пространственно-временной изменчивости техногенных аварий н экзогенных проявлений допустимо в методическом плане, но несравнимо по точности с инструментальными методами исследования. Такое методическое решение вопроса позволяет отслеживать только исключительно интенсивные проявления геодеформаций, что дает формировать только грубые, упрощенные представления о сложном геодеформационном процессе. Однако научные обобщения изменчивости геодеформационных процессов, выполненные на основании таких грубых и упрощенных оценок позволили в первом приближении сформулировать общие закономерности процесса, которое, по нашим представлениям на современном этапе, несколько опережают уровень понимания этой проблемы, сформировавшийся на базе данных несравненно более точных инструментальных измерений. Обоснованию этого тезиса и посвящена публикация.

 

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ


Направления исследований глобальной тектоники с использованием инструментов космической геодезии достаточно корректно сформулированы в работе Татевяна С.К.  «Роль спутниковых локационных измерений в изучении современной геодинамики. Знание общей картины движения литосферных плит (межгодовой масштаб) дает основание для построения глобальной кинематической опорной координатной сети, относительно которой будут измеряться современные движения земной коры и к которой можно будет с высокой точностью привязывать региональные контрольные геодезические сети. Определение и исследование скоростей движения специально выбранных точек земной поверхности, образующих опорную координатную сеть, и построение обобщенной динамической модели региональной и глобальной тектоники – основные задачи международной программы «Динамика твердой Земли», координируемой HACA (США). Наряду с этой задачей существует проблема исследования быстрых высокоамплитудных деформаций земной поверхности реверсного типа. Эти процессы формируются процессами в мантии, опосредованно через деформации, связанные с особенностями движения тектонических плит, приливами в твердом теле Земли. На практике такие деформации отражаются в якобы «случайных» ошибках определения координат с использованием GPS. Быстрые реверсные деформации являются причиной болезней, техногенных аварий (обрушения строений, разрывы коммуникационных сетей). Наиболее изучены техногенные аварии на системах газопроводов, которые фиксируют и изучают на так называемом геодинамическом полигоне OAO «Одессагаз» (Укрнефтегаз Украина), далее ГП.

По нашему мнению, только комплексное изучение деформаций от внутрисуточного до межгодовых масштабов могут дать полную картину изменчивости геодеформационных процессов.

Цель работы - изучение изменчивости геодинамической обстановки глобального масштаба прямыми и косвенными методами с целью оптимизации системы GPS-контроля геодинамических движений, на которые влияет глобальная тектоника.


АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ ИССЛЕДОВАНИЙ


Исходя из общих представлений – преимущественно астрономические силы формируют ощутимые геодинамические движения на Земле. В основном эти силы связаны с гравитационным полем и центробежными силами во вращающихся системах. Во внутригодовом масштабе астрономические факторы формируют деформации, связанные с приливами в твердом тело Земли. Внутригодовые вариации скорости вращения Земли вокруг своей оси связаны с деформациями, которые соответствуют изменениям формы и размеров Земли. Эти изменения формируют специфические разрывные и пластические деформации.

Известно, что переход системы от одного устойчивого состояния к другому может проходить путем резвого увеличения дисперсии колебаний. Устойчивые системы часто формируются в условиях сбалансированности, уравновешенности факторов, когда суммарное действие сил равно пулю. В таких условиях влияющим фактором, способным нарушить баланс, может 6нть «малый параметр». Динамика таких систем описывается, в частности, диалектическим законом «отрицание отрицания». В этой ситуации стабильная система, определяющаяся балансом значимых факторов, превращается в нестабильную из-за нарушения баланса вследствие «малого параметра». Так, например, в условиях стабильности астрономических факторов создаются сбалансированные условия между массовым взаимодействием. В этой ситуации следствием влияния «малого параметра» могут быть резонансные эффекты, действие которых направлено на нарушение баланса.

Однако этому противодействуют процессы с отрицательной обратной связью. Динамика развития систем с их участием подчиняется диалектическому закону о «единстве и борьбе противоположностей». Процессы этого типа формируют такой показатель, как консервативность, устойчивость системы, создают условия, когда автоколебательные процессы резонансного характера не достигают максимального развития и начинается регресс, т.е. возвращение к первоначально сбалансированному состоянию системы.

Проанализировав данные об изменениях геодинамической обстановки разного масштаба, можно отметить, что наиболее значимые глобальные изменения произошли на рубеже 1990 года. В 1992 году произошло глобальная смена активизации зональной системы на меридиональную.

В 1970-1990 гг. сейсмическая активность была характерна для Альпийско-Гималайского сейсмического пояса. Начиная с 1992 года сейсмически активеым стал Тихоокеанский сейсмический пояс. Глобальная попеременная активизация зональных и меридиональных сейсмических поясов происходит каждые 20 лет. Причины этого феномена изучены слабо. На глобальном уровне предполагается зависимость этого процесса. от периодического 18,61-летнего изменения склонения Луны. На региональном уровне этот феномен объясняется так называемыми критическими меридианами и параллелями, с которыми связаны зоны максимальных напряжений. Альпийско-Гималайский сейсмический пояс, выделяемый сейсмологами, по данным об эпицентрах землетрясений, по представлениям М.В. Стоваса согласуются с зонами минимальных напряжений в широтной зоне 350 северной и южной широты. Тихоокеанский сейсмический пояс, так же выделяемый по эпицентрам землетрясений, можно отожествить с субмеридиональными дислокациями, к которым отнесены дислокации окаймляющие Тихий океан. Они играют роль ведущих. В северном полушарии такие дислокации располагаются симметрично через каждые 90° - это Кордильеры, Срединно-Атлантический хребет, Уральско-Африканский грабен, Курило-Японская гряда.

Если считать адекватным это обобщение, то попеременная (каждые 20 лет) активизация широтных зон, расположенных в зонах 35° широты и субмеридиональных дислокаций, располагающихся симметрично через каждые 90°, есть наиболее значимая изменчивость деформированного состояния Земли внутривекового масштаба.

Предполагая зависимость режима подземные вод от геодинамической обстановки, на основании комплексного анализа различных данных можно подтвердить это положение и попытаться выделить эпохи деформированного состояния земной коры на рубеже XX и XXI веков. С 70-к по 90-е годы наряду с активизацией сейсмичности Альпийско-Гималайского пояса повышался уровень Каспийского моря, что соответствует условиям сжатия. В 1993 году уровень стабилизировался: началась активизация Тихоокеанского пояса. Каспийское море согласуется со структурами субмеридионального Уральско-Африканского грабена. Диагонально ориентированные структуры, в том числе Главный Черноморский разлом связанная с ним депрессия Куяльницкого лимана осушались и обводнялись в противофазе с Каспийским морем. В 199 году произошли устойчивые однонаправленные изменения в биосфере. Так, например, в реке Днестр с руслом в виде разломов диагональной ориентации, произошла резкая деградация одних видов гидробионтов и массовая вспышка развития других.

В эпоху двадцатилетней активизации Тихоокеанского сейсмического пояса важным агрономическим фактором стал межгодовой минимум скорости вращения Земли вокруг своей оси в 1996 году. Этот периодически возникающий феномен следует рассматривать как «малый параметр», способный вызывать резонансные эффекты в сбалансированной системе. В 2000-2002 годах наблюдалась суперпозиция аномальных приливов в твёрдом теле Земли, формируемых параллактическим неравенством (даты зимнего и летнего солнцестояния) с аномальными приливами в даты лунных и солнечных затмений – другой важнейший астрономический фактор. В 2000—2002 годах эти даты практически совпали. Такие суперпозиции сил, возникающие периодически (в ограниченном временном промежутке) также способны формировать резонансные эффекты в сбалансированной системе.

Перечисленные астрономические аномалии формировали геодинамические феномены, отражающиеся в характере сейсмичности планеты и в других проявлений деформационных процессов. Это отразилось и на особенностях возникновения техногенных аварий и катастроф. Изучение особенностей геодинамических движений по материалам наблюдений на ГП начинается с 1992 года (рис.1). Анализ пространственно-временной аварийности газопроводов в Одессе (узле пересечения Главного Черноморского и Одесско-Сивашского разломов) позвонил установить, что в последние 12 лет геодинамические процессы можно разделить на этапы.

 

ЭТАП 1 (1992—1997 ГГ.)

После 1992 года, когда вероятность сильных землетрясений, в Альпийско-Гималайском поясе несколько снизилась, европейский регион оказался под влиянием другой опасности – интенсивных геодеформаций пластического характера, Пластические деформации обычно опасны экзогенными проявлениями, в том числе оползнями.

Период 1. Пластические деформации реагируют как на квадратурные, так и на сизигийные приливы в твердом теле Земли, тогда как максимальный амплитуды приливов в жидкой оболочке зависят только от сизигийных приливов. В 1992-1994 гг. аварии газопроводов проходили циклично, но без выраженных аномалий.

Период 2. В связи с эффектом минимума скорости вращения Земли в 1996 году и соответствующим ему относительным изменениям формы и увеличением объёма планеты пластические деформации стали проявляться сильнее. Начиная с осени 1994 года аномально выросли выделения газов из земной коры, что было причиной взрывов метана на шахтах Украины. В этот же период в центральной и восточной Украине зафиксированы катастрофические оползни. В 1995-1997 гг. всплески пластических деформаций особенно четко фиксировались в апреле-мае. Деформации земной поверхности вызвали и аномалии газового режима подземных вод в бассейнах рек Дунай и Днепр из-за этого прошли заморы катастрофического характера.

Геодеформации развивались в виде реверсных вертикальных движений блоков без однонаправленных смещений. В это время в Одессе наблюдались разрывы газопроводов и водопроводных сетей, обрушались здания - причем аномально, группами, часто вдоль линий с определенными азимутами. Максимумы развития деформаций с недельной цикличностью наблюдались в период минимальных скоростей вращения Земли в l995–1997 гг., в пик сезонного минимума скорости вращения. В такие периоды типично увеличение количества глубокофокусных землетрясений на фоне увеличения числа слабых и резкого снижения количества сильных землетрясений.

Характер деформации. Аварии газопроводов фиксировались вдоль линий, совпадающих по направлению с азимутами блоковой делимости литосферы или в узлах их пересечения. Вертикальные геодинамические движения нами определены как возвратно-поступательные движения блоков относительно изостатически скомпенсированного положения. Амплитуда относительного смещения блоков – первые десятки сантиметров за короткий промежуток времени (три-четыре дня). Наши оценки согласуются с данными альтиметрических измерений амплитуды изменения вертикального положения поверхности Каспийского моря.

Важно отметить, что после 1992 года в Тихоокеанском регионе (Камчатка) разрывные деформации протекли аналогично пластическим деформациям я Альпийско-Гималайском поясе (Черноморский регион, ГП). Активизация сейсмичности формировалась сизигийными приливами в твердом теле Земли. Землетрясения фиксировались либо в узлах пересечения разломов, либо вдоль линейных зон.


ЭТАП 2 (1997-2002 ГГ.)


После 1997 года вместе с относительным ростом скорости вращения Земли, которое соответствует уменьшению размеров планеты, произошли изменения характера геодинамических движений. Изменилась география развития оползней на Украине. Наряду с продолжающимся процессом выделения газов из литосферы произошла некоторая активизация грязевого вулканизма в Азовском море, интенсификация подземного водообмена. Наиболее выраженно этот процесс проявлялся в даты сизигийных приливов в твердом теле Земли.

Период 1. После 1997 года майские всплески аварийности газопроводов перестали быть доминирующими. Пластические деформации с недельным циклом (идентификация по цикличной аварийности газопроводов ГП) стали блокироваться разрывными деформациями (идентификация по сейсмическим проявлениям) Наиболее выраженным стал процесс развития пластических деформаций в виде перед- и пост сейсмических проявлений. Наиболее ярким примером таких деформаций были всплески аварийности газопроводов на ГП перед п после катастрофического землетрясения в Турции 17 августа 1999 года. Эти деформации были связаны с астрономическими факторами, повлиявшими на активизацию глубокофокусной сейсмичности и процессы спрединга. 12-13 августа была зарегистрирована первая деформационная волна, спровоцировавшая аномальный рост аварийности газопроводов в Одессе.  Вторая воина такой же амплитуды была зарегистрирована после землетрясения 19-21 августа. Пластические деформации 12-13 и 19-21 августа (дискретность 7 суток), сформировавшие рост аварийности газовых сетей, по-видимому являются проявлением энергии пластических деформаций, которая в условиях регионального сжатия трансформировалась в разрывные деформации – землетрясение в Турции 1999 г.

Осенью 1998 года геодеформационные эффекты впервые проявились изменениями гидрогеологического режима. В даты сизигийных приливов были зафиксированы наводнения на реках Tncca, Десна, Двина, Дунай.

Характер деформаций. Пластические деформации, идентифицируемые по аварийности газопроводов на ГП, впервые проявились интенсивными деформационными процессами на значительных территориях не по линейной зоне, а внутри блоковых структур. Зарегистрированы быстрые изменения условий деформированного состояния земной коры. Отмечалась попеременная активизация блоков разной пространственной ориентированности. Эти феномены стали «типичными» до 2002 года. Такой тип деформаций формировался максимальными приливами в твердом теле Земли и неоднократно совпадал с необычными наводнениями на реках. Забегая несколько вперед, отметим, что в качестве наиболее яркого примера рассматривались условия наводнения на реке Кубань во время параллактического неравенства приливов 24 июня 2002 года. Наводнение сформировалось в условиях тектонического сжатия на юге Грузии (землетрясение 22 июня М=6.5). Наводнению предшествовали деформационные волны 16, 23 июня 2002 года (дискретность 7 суток), 23 июня деформационные волны сформировали аномалии аварийности в Одессе на ГП внутри блока, пространственная ориентированность которого согласовывалась с направление фронта зафиксированной деформационной волны.

В целом этот этап характеризовался разрывными деформациями. Свободное распространение пластических деформаций в связи с влиянием приливообразующих сил в твердом теле Земли не было типичным.

Период 2. После 2000 года предшествующие особенности геодинамических движений усугубились необычной суперпозицией астрономических факторов (затмений) в даты зимнего и летнего солнцестояний.

Характер деформаций. Всплески аварийности на ГП в 2000 году происходили в связи с пластическими пред- и пост-сейсмическими деформациями сильнейших землетрясений на планете 4 и 18 июня (затмение I и 15 июня). Летом 2001 года ситуация повторялась. Всплеск аварийности произошел 1-15 июня в связи с сильнейшими землетрясениями на планете 3 и 23 июля. Во время зимних солнцестояний и соответствующих по времени затмений проявились важные закономерности, не имевшие аналогов в предшествующий период. Во время зимних солнцестояний ±2 месяца еженедельные пластические деформации (идентификация по авариям газопроводов) перемежались всплесками сейсмичности в Европе. Оказалось, что в геодинамически активные эпизоды 2000-2002 годов между пиковыми значениями сжатия и растяжения проходило 3,5 суток.


ЭТАП 3 (НАЧИНАЯ С 2003 Г.)


В последние годы резко возросла скорость изменения характера деформации глобального масштаба. В 2003 году геодинамические деформации приобрели принципиально новые черты. Наряду с вертикальной составляющей реверсных движений начали проявляться деформации с горизонтальной составляющей. Такие деформации косвенно выделяются нами по особому типу аварий газопроводов. На рис. 2 показана динамическая модель разрушения газопроводов в местах выхода трубы из земли и входа в здания в результате быстрых горизонтальных движений земной коры.

 

Деформации, характеризующиеся рассеянной аварийностью, охватывающей целые блоки, перестали быть типичными. Прекратились и наводнения на реках Европы. Впервые такой характер геодвижений вызвал катастрофические обрушения суперсовременных инженерных сооружений (на опорах).

Период 1. Начиная с января 2003 горизонтальные движения формировались процессами спрединга в районах срединно-океанических хребтов. Рассмотрев пример спрединга в районе Исландии 1-2 февраля 2003 года, который предварялся и завершался интенсивными быстрыми горизонтальными движениями 31 и 4 февраля на ГП. В эти дни произошло по пять аварий в сутки, в обоих случаях во временном промежутке с 11 до 12 часов по местному времени. Максимальные деформации охватили небольшую территорию с размерами примерно 1*1 км, в углах которого находился Воронцовский дворец, Оперный театр, Воронцовская библиотека.

Анализ характера вертикальных движений геодинамических реперов относительно морской поверхности позволили высказать предположение о том, что во время деформаций происходило вздымание участка суши относительно уровня моря, затем его падение ниже среднего положения, а затем колебательное выравнивание относительно среднего положения. Между экстремальными вертикальными отметками положения реперов прошло 3—4 дня. Амплитуда колебаний составила на обоих пунктах 57 см, что соответствует средней скорости примерно 20см/сут. Высказано предположение, что процессам однонаправленного спрединга характерны колебательные движения блоков (наклонов) относительно изостатически скомпенсированного положения.

Рассмотрен пример одновременного спрединга в Атлантическом и Индийском океанах во время весеннего равноденствия. В этот период изменения положений реперов государственной геодезической сети ГП относительно уровня моря имели другой характер. Наблюдалось только вздымание суши относительно моря с последующим возвращением к среднему положению. Время деформации также не превышает трех суток. Высота вздымания суши достигает 24 см за двое суток., что при предположении колебательных движений соответствовало бы амплитуде 46 см. Максимальная скорость вздымания 21—22 марта достигла 20 см/сут.

Если говорить о процессе формирования деформаций, то сначала происходит спрединг в Атлантике (причина). а спустя 1-2 дня - в Одессе на ГП происходит вздымание земной коры. В условиях однонаправленного спрединга, возможно, происходит колебание блоков относительно среднего положения, а в условиях встречного спрединга (интенсивное сжатие) происходит только вздымание земной коры с последующим возвращением к среднему положению без автоколебательных движений.

Период 2.  Начиная с января 2004 года горизонтальные геодинамические движения формируются не столько процессами океанического спрединга, сколько оживлением рифтовой зоны Мертвого моря. Синхронно с «оживлением» рифтовой зоны Мертвого моря зарегистрирована активизация асейсмичных Уральских гор, которые по мнению М.В. Стоваса отнесены к меридиональным дислокациям критических меридианов. Интенсивные реверсные горизонтальные геодинамические движения в этой геодинамической обстановке сопровождались мелкофокусными землетрясеньями в других асейсмичных районах Европы. Например, во время осеннего равноденствия 21.09.04 сильные землетрясения зарегистрированы на тектоническом стабильном Балтийском щите (Калининград).  На юге Украины зарегистрирована активизация мелкофокусной сейсмичности в дельте Дуная. Сильное землетрясения произошло через трое суток после солнечного затмения 07.10.04 M=5.1. Разрывные деформации имели перед- или послесейсмические проявления пластических деформаций, отожествляемых с авариями газопроводов на ГП, в том числе в местах их выхода из земли.  На дату солнечного и лунного затмения в Одессе на ГП отслеживались пластические деформации. Через трое суток они закономерно сменялись разрывными деформациями. 10.10.04 зафиксировано сильное мелкофокусное землетрясение в районе Измаила, а 26.10.04 коровое землетрясение в Румынии. Нами отмечено, что весенние равноденствие 2004 года проявилось сдвиговыми глобальными деформациями в широтной зоне 35° ю. ш. (в печати) Этот период характеризовался активизацией пластических деформаций па ГП. Зимнее солнцестояние характеризовалось аналогичными сдвиговыми глобальными деформациями, но в экваториальной зоне. Обе зона выделены М.В. Стовасом как зоны критических параллелей. Последний процесс, по предварительным данным, спровоцировал сдвиг тектонических плит Индийского океана на 30 метров (изменив расположение островов близ Суматры). Известно, что, если бы одна из тектонических плит Индийского океана ушла вниз, это изменило бы распределение масс Земли, сделав ее более «компактной», в результате чего она стала бы вращаться быстрее. Но некоторым оценкам, отмечено уменьшение периода обращения Земли на 3 микросекунды.

По данным наших наблюдений на ГП установлено, чтo в связи с деформациями во время солнечного н лунного затмений (октябрь 2004 года) в Одесском регионе были зафиксированы достаточно сильные деформации – пластические и разрывные (землетрясения в дельте Дуная и Румынии). Отличительной характеристикой землетрясений была ИХ небольшая глубина, что свидетельствует об интенсивном развитии коровых (не мантийных) деформаций и процессов. Такие деформации обычно связаны с быстрыми горизонтальными движениями земной коры. Выполнив узкополосную фильтрацию аварийности, которая трассирует быструю горизонтальные движения земной коры, мы получили важную для науки расчетную кривую (Рис. 3).

 

 

Важно отметить, что циклы пластических деформаций с признаками горизонтальных смещений согласуются во времени как с датами затмений, так и с датой катастрофического геодинамического феномена в Юго-Восточной Азии.

УДК528.432.622, впервые опубликовано в журнале «Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва», 2005, Випуск 1

УКР. Мінливості деформаційних процесів глобального масштабу в техногенних проявах (1-ша частина)

Розглядаються техногенні аварії та природні у зв’язку з геодеформаційними процесами глобального масштабу. За допомогою математичних розрахунків та комплексного аналізу даних спостережень за геодеформаціями зроблено спробу визначити етапи розвитку деформацій глобального масштабу з 1992-го року і донині..

 

ENG. Igor Uchytel, Volodymyr Yaroshenko, Borys Kapochkin: Variability of deformation processes of global scale in technogenic manifestations (1 part)

Are considered technogenic failures and natural accidents in connection with deformation processes of global scale. Due to mathematical calculations and the complex analysis of the giveп supervision over deformations have tried to establish sages of change of detonations of global scale since 1992 on present time.

Игорь Учитель, Владимир Ярошенко, «Одессагаз», Борис Капочкин, Одесский государственный экологический университет