Галерея:

Сейсмиты

Определение. Анализ литературы показывает, что деформационные структуры, которые называются «сейсмиты» («seismites»), относятся к типу «soft-sediment» деформаций и, соответственно, проявляются исключительно в рыхлых отложениях [Obermeier, 1996; Montenat et al., 2007 и др.]. Этот термин используется для обозначения широкого спектра форм и типов сейсмогенных дислокаций, и поэтому его строгого определения не было до наших работ. Изначально, А. Сейлахер применял данное название для характеристики участков, отличительной чертой которых было наличие водонасыщенного слоя, который в процессе землетрясения подвергался разжижению и вызывал в перекрывающих (или подстилающих) слоях деформации типа «fault-graded beds» [Seilacher, 1969]. В дальнейшем, к сейсмитам стали относить любые дислокации, формирование которых происходило в результате разжижения грунтов и сопровождающих его явлений подъема различных флюидов (воды, газов, песчаных и грязевых масс и т.д.) под влиянием сейсмических волн и вибрации [Sims, 1975; Hempton, Dewey, 1983; Obermeier, 1996, 1998; Obermeier et al., 2005; Alfaro et al, 2001; Fortuin, Dabrio, 2008; Reddy et al., 2009; Moernaut, 2009; и мн. др.]. Помимо наличия разжижения осадков, еще одним условием, отличающим сейсмиты от других сейсмогенных деформаций в рыхлых отложениях, является обязательное отсутствие следов гравитационного соскальзывания материала [Корженков, 2006; Montenat et al., 2007]. С точки зрения существующих в России классификаций сейсмогенных структур [Солоненко, 1988; Рогожин, 2000], подобные образования являются вторичными сейсмодислокациями вибрационного типа. Исходя из этого нами предложено следующее определение термина «сейсмиты» – это вторичные сейсмогенные дислокации, сформированные в результате развития процессов разжижения и флюидизации горизонтально залегающих осадочных толщ (слоев) под воздействием сейсмических волн и вибраций [Гладков, Лунина, 2010].

Механизм образования. Наиболее подвержены сейсмогенному разжижению водонасыщенные песчаные отложения, причем самыми благоприятными для развития этого процесса являются тонкозернистые пески и лессы. Как показывает опыт, дислокации обычно развиваются на участках, где пески перекрыты слоями более плотных (компетентных) глин [Fortuin, Dabrio, 2008]. Деформации водонасыщенных отложений, большей частью, происходят вследствие двух процессов: ликвефакции (liquefaction) или флюидизации (fluidization), а также их совокупностью — «ликвидизацией» (liquidization). Под ликвефакцией понимают переход осадочного материала из твердой в жидкую фазу под действием давления воды в порах [Obermeier et al., 2005]. Дополнительными условиями для усиления процессов разжижения в рыхлых осадках являются: близповерхностная позиция уровня грунтовых вод, голоценовый возраст осадков, их быстрое накопление, плохая связность структурного скелета, небольшой размер зерен, характерный для песчаных разностей, преобладание мелководных фациальных обстановок [Vittori et al., 1991]. Флюидизация в современных осадках часто сопровождает ликвефакцию, однако в отличие от нее всегда мобилизует материал благодаря разнонаправленному движению воды с частицами грунта [Alfaro et al, 2002]. Основным механизмом, определяющим сейсмогенное разжижение и деформирование грунтов, является циклическое изменение касательных напряжений (рис. 1), вызываемое прохождением сейсмических волн.

Рис. 1. Схематический вертикальный разрез, показывающий идеализированное изменение во времени условий нагружения в толще рыхлых отложений под действием энергии, распространяющейся вверх из гипоцентра, по [Obermeier, 1996].
Напряжения показывают предваряющее разжижение, циклическое изменение условий нагружения. 0' – первичное вертикальное эффективное напряжение, обусловленное весом вышележащих пород, h – индуцированные землетрясением циклические изменения касательных напряжений.

В результате возникают колебания частиц грунта и контакты между ними разрываются. При этом высвобождается вода, заполнявшая пространство между зернами, и грунты приобретают свойство жидкости с взвешенными частицами. В работах разных авторов [Иванов, 1991; Вознесенский, 1998; Obermeier et al., 2005; Ишихара, 2006; и др.] приводятся следующие этапы сейсмогенного разжижения грунтов: разрушение структуры; собственно разжижение несвязного грунта и последующее уплотнение грунта с отжатием части воды (рис. 2).

Рис. 2. Причины и последовательность сейсмогенного разжижения грунтов, по [Вознесенский, 1998].
а — рыхлый водонасыщенный песок с крупными порами до землетрясения; б — сейсмический толчок - характерная запись изменения ускорения колебаний во времени; в — момент разжижения - связи между частицами грунта разорваны, и они оказываются взвешенными в воде; г - уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц.

Считается, что разрушение структуры начинается при сдвиге одного ряда частиц относительно другого, потере контактов между частицами, передаче давления от веса частиц на воду и возникновении аномального порового давления в жидкости; затем зерна грунта приобретают более плотную укладку. Циклические изменения соотношений порового и литостатического давлений, сопровождающие процессы разжижения и уплотнения грунта, приводят к флюидизации перекрывающих и, отчасти, подстилающих отложений за счет отжимания воды и взвешенных в ней частиц с формированием структур истечения (water-escape structures) [Lowe, 1975]. Основными путями миграции грязевых и водных масс (вплоть до выброса на дневную поверхность) являются трещины гидроразрыва, которые могут быть как вертикальными, наклонными, так и межслоевыми [Obermeier, 1996; Obermeier et al., 2005].

Экспериментальное обоснование. Особенности формирования и различные формы проявления сейсмитов воспроизведены в различных экспериментальных работах. Например, Ф. Куенен наблюдал влияние ощутимого удара на модель «песок на глине», которая была пропитана вязкой жидкостью [Kuenen, 1958]. В ходе опыта слабосцементированные пески неравномерно погружались в более плотные и пластичные глины, образуя так называемые конволюции (convolution) или псевдонодули (pseudonodules) [Rodriguez-Pascua et al., 2000]. М. Моретти и его соавторами в экспериментах [Moretti et al., 1999] были воспроизведены основные параметры землетрясения с Мl=7.1, произошедшего 17 октября 1989 г. в Лос-Анджелесе. Ими было показано, что тип и форма образуемых структур полностью зависят от состава и строения осадочного разреза (рис. 3).

Рис. 3. Основные типы сейсмогенных деформационных структур образуемых в рыхлых отложениях, по [Moretti et al., 1999].
Слева – исходные геологические разрезы, справа – признаки (деформации) разжижения и/или флюидизации после сейсмического события.

Особо следует отметить, тот факт, что в пределах гомогенных тонкозернистых толщ деформационные структуры не наблюдались. Это позволило авторам подтвердить правомерность выделения в качестве сейсмитов верхних, уплотненных частей гомогенных тонкозернистых слоев в осадках озер Канады [Shilts, Clauge, 1992; Doig, 1998].

Формы проявления сейсмитов. Наиболее полный на настоящее время обзор зарубежных работ, посвященных сейсмитам, представлен в статье К. Монтеня с соавторами [Montenat et al., 2007]. Данное обобщение позволяет получить представление о многообразии структурных форм, которые могут быть образованы в результате сейсмогенного разжижения грунтов и взаимодействия их с перекрывающими и подстилающими толщами, а также позволило вышеупомянутым авторами разработать вариант классификации сейсмитов. Не останавливаясь на критике принципов выделения данными исследователями основных групп эффектов от землетрясений в осадках и горных породах, остановимся на разделе, характеризующем собственно сейсмиты (рис.4).

Рис. 4. Классификация деформационных структур индуцируемых землетрясениями, по [Montenat et al., 2007].

Для них предлагается деление деформаций на хрупкие и пластические. При этом подчеркивается, что в каждом конкретном случае набор формируемых структур зависит от целого ряда факторов: климатических условий территории, мощности и особенностей строения чехла рыхлых отложений, физико-механических свойств и гранулометрического состава слагающих его отложений, степени обводненности пород, глубины залегания зеркала подземных вод и некоторых других. Отметим, что и другие известные классификации деформаций в рыхлых отложениях, включая и сейсмиты (например [Alfaro et al., 2001; Гладков, Лунина, 2007; и др.]), также основаны на том факте, что их структурные формы являются результатом проявления и/или сочетания деформаций различных типов – пластических и разрывных (хрупких). Однако применительно к сейсмитам выделение хрупкого типа деформаций в самостоятельную группу, как это сделано в классификациях зарубежных исследователей [Alfaro et al., 2001; Montenat et al., 2007] представляется спорным, прежде всего потому, что в сейсмитах данный вид дислокаций практически не проявляется без сочетания с пластической составляющей (например, разрыв растяжения + пластическое заполнение в процессе флюидизации = инъекционная дайка; или трещины и/или каналы прорыва + выброс водно-грязевых пластичных масс = грязевый вулкан). Также значительная часть разрывных структур, используемых для внедрения и заполнения разжиженным веществом, могла быть сформирована под действием других сил и в процессе землетрясения лишь активизирована. Кроме того, отсутствие наполнения в крупных сейсмогенных трещинах и разрывах делает проблематичным отнесение их к сейсмитам, поскольку нет признаков, по которым их можно было бы отличить от первичных сейсмогенных разрывов. Исходя из этих соображений, более строгим и правильным представляется разделение сейсмитов по характеру проявления деформаций на две группы: пластические и хрупко-пластические.

Полевые критерии выделения сейсмитов. Большинство из перечисленных структурных форм по своему внешнему виду имеют значительное сходство со следами проявления в осадочных слоях экзогенных процессов. Их примерами могут быть деформации, развивающиеся при гравитационном сползании осадочных масс, химическом выветривании горных пород, формировании флювиогляциальных отложений, криогенезе и т.д. [Obermeier, 1996], поэтому в любых физико-географических обстановках необходимо определять и доказывать генезис изучаемых структур. В настоящее время для отнесения наблюдаемых деформаций к сейсмогенным широко используются следующие типологические полевые критерии [Sims, 1975; Корженков, 2006]: 1) местонахождение исследуемых деформаций в сейсмически активных областях; 2) подходящий состав осадков – слабо консолидированные, метастабильные пески и глины с низким сцеплением; 3) сходство структур, образованных экспериментально, со структурами, образованными сейсмическими сотрясениями [Kuenen,1958; Nichols et al., 1994], или со структурами, описанными где-либо как сейсмиты [Seilacher, 1969; Obermeier, 1996; Montenat et al., 2007; и др.]; 4) исключение возможности образования деформаций вследствие гравитационного течения; 5) расположение деформированного слоя в стратиграфическом “сэндвиче” из недеформированных слоев; 6) широкое латеральное простирание деформационных структур [Allen, 1986]; 7) циклическое повторение структур, возникающее в сейсмических зонах вследствие периодического проявления сильной сейсмической активности.

Проблемы и перспективы изучения сейсмитов на территории юга Восточной Сибири. Существенным фактором, затрудняющим сейсмогеологические исследования в Восточной Сибири, является широкое развитие мерзлотных процессов. Согласно исследованиям Ф.Н. Лещикова, Н.Е. Зарубина, О.В. Павлова и др., многолетнемерзлые породы имеют здесь большую мощность, прерывистое по площади и слоистое по глубине залегание [Инженерная геология …, 1968]. Наличие погребенных слоев мерзлых пород, достигающих большой мощности, свидетельствует о том, что активные криогенные процессы сопровождали осадконакопление на протяжении позднекайнозойского этапа развития впадин Байкальского рифта [там же]. Все перечисленные факты свидетельствуют, что на территории Восточной Сибири, в силу климатических и геотектонических условий, возможно сочетание деформационных структур различных генетических типов – криогенного и сейсмогенного. До недавнего времени, целенаправленно изучались только первые из них и, соответственно, практически все деформационные структуры в рыхлых отложениях характеризовались как криогенные. Поэтому главной проблемой при развертывании исследований сейсмитов в данных условиях является разработка надежных признаков и критериев выделения сейсмогенных деформаций в условиях криолитозоны, которая может быть осуществлена различными путями. Один из них заключается в проведении специализированных исследований в пределах эталонных для данной территории участков – эпицентральных зонах известных крупнейших землетрясений. Данный подход хорошо зарекомендовал себя в различных районах мира [Sims, 1975; Obermeier, 1996; Alfaro et al., 2001; Monecke et al., 2006; Reddy et al., 2009]. Он позволяет определить набор структурных форм сейсмитов, а также их основные параметры, характерные для условий конкретного региона и, соответственно, в дальнейшем, при проведении площадных исследований, упростить их выделение на фоне следов других процессов. В Восточной Сибири подобными эталонами могут служить эпицентральные области катастрофических землетрясений XIX – XX вв. таких, как Цаганское (12.01.1862 г.), Среднебайкальское (29.08.1959 г.) и Мондинское (04.04.1950 г.). Учитывая значительный размер изучаемых территорий, отдельные площади которых могут заметно отличаться по составам и свойствам грунтов, степени диагенеза осадков, их обводненности и по другим факторам от эталонных эпицентральных зон, следует признать необходимость второго пути по разработке критериев для идентификации сейсмитов. Данный путь заключается в адаптации к местным условиям ряда косвенных признаков, которые используются в мировой практике. Они, как правило, уточняют и дополняют перечисленные выше семь типологических критериев. В своих работах мы учитывали следующие из них: 1) в наблюдаемых структурах должны присутствовать элементы, указывающие на наличие вертикально направленных (к земной поверхности) гидравлических сил [Obermeier, 1996]; 2) деформационные структуры должны быть проявлены на значительной площади, причем интенсивность их проявления должна возрастать от периферии к центральной части [Obermeier, 1996]; 3) деформации должны соответствовать кратковременным эпизодам, разделенным долговременными интервалами стабильного состояния [Obermeier, 1996]; 4) наличие активных разломов и связанных с ними деформаций является косвенным свидетельством в пользу сейсмогенного происхождения структур в рыхлых отложениях [Vanneste et al., 1999; Гладков, Лунина, 2007]. Информация, полученная при выявлении, датировании и изучении особенностей распределения сейсмитов во времени и в пространстве, может быть использована для уточнения/определения магнитуд известных событий, для выявления эпицентральных зон палеоземлетрясений (при отсутствии палеосейсмодислокаций), а также для оценки величин пиковых ускорений грунтов при палеоземлетрясениях. При решения первой задачи используются зависимости связывающие расстояние от эпицентра (палеосейсмодислокации) до наиболее удаленных участков проявления синхронных ему сейсмитов с параметром магнитуды. Подобные зависимости получены для разных регионов мира [Kuribayashi, Tatsuoka, 1975; Galli, 2000; Papathanassiou et al., 2005; и др.]. Они показывают, что эффекты, связанные с разжижением грунтов, могут генерироваться землетрясениями с магнитудами (Mw) от 4.2 и выше [Galli, 2000]. Однако наиболее распространенным порогом магнитуды (Mw), при котором устойчиво формируются сейсмиты на больших площадях, считается 6.5 [Ambraseys, 1988; Obermeier et al., 2005]. В случаях, когда в грунтах преобладают крупно- и грубозернистые разности порог магнитуды существенно повышается (до Mw=7), при этом максимальные расстояния от эпицентра, в пределах которых проявляются сейсмиты колеблются от 50 км [Galli, 2000] до 130 км и более [Obermeier, 1996]. Выявление новых или подтверждение местонахождений предполагаемых палеосейсмодислокаций (back-analysis) возможно путем изучения распределения синхронных по времени сейсмитов на значительных (сотни км2) площадях [Obermeier et al., 2005], при этом для локализации района возможного/предполагаемого расположения сейсмодислокации (эпицентра) необходимы наблюдении сейсмитов как минимум в трех удаленных друг от друга точках наблюдения. Затем производится сопоставление интенсивности проявленных в точках деформационных форм, в совокупности с анализом пространственных ориентировок их структурных элементов (трещин растяжения для даек, шарниров и осей складкообразных и конволюционных стурктур), позволяющих восстановить линии (направления) действия сил, образуемых сейсмическими волнами. Можно предположить, что точки пересечения подобных линий, замеренные в разных местах обозначат область эпицентра (подобная технология, но применительно к деформациям археологических памятников описана в работах А.М. Корженкова [Корженков, 2006]). То же самое можно сказать относительно изолиний интенсивности проявления зафиксированных деформационных структур. В качестве интенсивности могут выступать различные параметры, характеризующие тот или иной тип сейсмитов (рис. 5).

Рис. 5. Схема развития сейсмитов (песчаные дайки) в долине р. Вабаш, по [Green et al., 2005].

Особое значение сейсмиты имеют в качестве индикаторов для выявления участков потенциального усиления сейсмических эффектов. Таковыми могут быть зоны разломов и узлы пересечения разломов, а также площадки, в пределах которых наблюдаются аномально водонасыщенные грунты. Получаемые в ходе исследований данные позволяют дополнять существующие разномасштабные карты сейсморайонирования и строить специализированные схемы в комплектах карт направленных на оценку сейсмической опасности территорий [Anderson et al., 1994; McCalpin, Solomon, 2001; Utah Geological Survey, 2003]. Кроме того, активно развиваются исследования, направленные на изучение зависимости интенсивности проявления сейсмитов с пиковыми ускорениями, имевшими место в грунтах при землетрясениях [Obermeier, 1996]. Таким образом, постановка широкомасштабных работ по изучению сейсмитов на территории Восточной Сибири может помочь вывести сейсмогеологические исследования на уровень, сопоставимый с мировым.

Предварительные результаты изучения сейсмитов на юге Восточной Сибири

Рис. 6. Расположение изученных разрезов, содержащих сейсмиты. 1 – активные разломы; 2 – палеосейсмодислокации [Чипизубов, 2007]: I – Восточно-Саянская, II – Торская, III – Аршанская, IV – Китой-Кинская, V – Шумакская, VI – Ихе-Ухгуньская, VII – Тустук, VIII – Окинская II; 3 – точки наблюдения в которых выявлены и изучены сейсмиты.

Рис. 7. Результаты радиоуглеродного датирования сейсмитов в изученных разрезах Тункинской впадины и известные возраста палеособытий для сейсмодислокаций [Чипизубов, 2007]. Условные обозначения аналогичны рис. 6. Римскими цифрами обозначены палеосейсмодислокации : I – Аршанская, II – Торская, III – Восточно-Саянская.

Рис. 8. Результаты радиоуглеродного датирования сейсмитов в изученных разрезах юга Сибирской платформы и известные возраста палеособытий для сейсмодислокаций [Чипизубов, 2007]. Условные обозначения аналогичны рис. 6. Римскими цифрами обозначены алеосейсмодислокации : I – Аршанская, II – Торская, III – Восточно-Саянская.

Примеры. В нашей галерее приведены рисунки, иллюстрирующие находки пластических и хрупкопластических вторичных сейсмогенных структур в рыхлых отложениях Тункинской и Селенгинской впадин Прибайкалья.

Также Вы можете загрузить следующий файл, содержащий информацию о разрезах, в пределах которых обнаружены сейсмиты (в рамках координат 100°–114° в.д. и 50°–57° с.ш.) в цифровом виде (на 20.12.2010 г.):

seismites_dating.zip