Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 2, стр. 243-249

Ледовый покров оз. Байкал при медленных нагрузках проявляет реологические свойства, сходные со свойствами литосферы при длительном действии на нее напряжений, что делает возможным его использование для моделирования сейсмотектонических процессов [1].

В сильные морозы в ледовом покрове формируются многокилометровые становые трещины отрыва (рис. 1 а, б). В дальнейшем они работают в режиме “открытие‒закрытие” при вариациях отрицательных температур воздуха. В весенний период, преимущественно в первой половине марта, при резких потеплениях в дневное время ледовый покров существенно увеличивает свой объем за счет температурного расширения, что приводит к росту в нем тангенциальных напряжений сжатия, под действием которых контакт между ледовыми пластинами в становой трещине разрушается с последующим поддвиганием одной пластины под другую (рис. 1 в, г). Амплитуда одноактного поддвигания определяется величиной дневного перепада температуры и обычно составляет от первых десятков сантиметров до первых метров, а суммарная амплитуда такого поддвига, накопленная за несколько дней, может достигать 25‒30 м.

Рис. 1.

Схематичное отображение формирования в ледовом покрове (а) становой трещины отрыва (б), последующей ее трансформации в поддвиг при термальном расширении льда (в). г – Фото сформировавшейся зоны поддвига в ледовом покрове оз. Байкал. 1 – снег; 2 – лед; 3 – направление перемещения ледовых пластин; 4 – периодически активизирующийся контакт между ледовыми пластинами; 5 – направление относительного перемещения ледовых пластин при активизации контакта между ними.

Процесс первичного формирования подвига, а также последующие активизации по механизму “stick-slip” периодически смерзающегося контакта между ледовыми пластинами сопровождаются сейсмическими эффектами, традиционно называемые “ледовыми ударами”. Естественная природа ледовых ударов, подготовка и реализация которых протекают на небольших временных интервалах, измеряемых первыми часами, делает их уникальным объектом для инструментальных наблюдений, результаты которых, с учетом сходства реологических свойств ледового покрова и литосферы, могут быть использованы для разработки способов средне- и краткосрочного прогноза тектонических землетрясений [1–3].

Авторами выполнен инструментальный мониторинг деформаций и сейсмических колебаний ледового покрова оз. Байкал в пределах становой трещины в районе поселка Бугульдейка в 4 км от берега (координаты 52°31′06.27″ с.ш., 106°13′06.72″ в.д.). Мониторинг проводился инструментальным комплексом авторской разработки [4]. Деформации измерялись штанговыми датчиками с базой 2 м с дискретностью 4 Гц. Датчики располагались перпендикулярно простиранию становой трещины на расстоянии 15 м от нее. Сейсмические колебания регистрировались сейсмостанциями “Байкал-7HR” с датчиками “СК-1”.

Важным результатом выполненного мониторинга явилось обнаружение автоволнового характера реализации деформаций льда перед ледовыми ударами (рис. 2 а). Появляясь за минуты-первые десятки минут до удара, этот процесс развивается с увеличением амплитуды колебаний, нередко с кратным сокращением их периода (рис. 2 б, в). Непосредственно перед ударом такой упорядоченный характер колебаний сменяется хаотическим с увеличением их амплитуды и периода.

Рис. 2.

Пример автоволнового характера реализации деформаций льда перед ледовым ударом (а) и его детали (б, в).

Автоволновая динамика деформаций ледового покрова обусловлена его способностью к самоорганизации как открытой, структурно-неоднородной системы в критическом состоянии [5, 6]. Известные результаты моделирования [7] и результаты инструментальных наблюдений за разрушением ледника в горной местности [8], демонстрирующие автоволновую динамику деформаций нагруженных структурно-неоднородных систем при напряжениях, близких к пределу их прочности, позволяют считать зафиксированное нами аналогичное явление закономерным, не связанным с особенностями деформации ледового покрова, лежащего на воде, а обусловленным способностью этих систем к самоорганизации в таком критическом состоянии.

Наличие самоорганизации деформационного процесса косвенно подтверждается результатами обработки временных рядов деформаций ледового покрова методом анализа кривизн структурных функций (МАКСФ) [9] и методом спектрального анализа на основе периодограммы Ломба-Скаргла [9–11]. Оба метода позволяют выделять в рядах данных деформаций временные интервалы их коррелированного поведения, т.е. интервалы, в переделах которых имела место самоорганизация деформационного процесса.

В первом случае таким интервалам соответствует резкий рост параметра “время корреляции” (ВК) (рис. 3). Как видно из графика, в большинстве случаев наиболее сильным ледовым ударам, помеченным красными стрелками, предшествует проявление самоорганизации деформационного процесса.

Рис. 3.

График вариаций параметра “время корреляции” в течение 8, 9, 10 и 11 марта. Стрелками отмечены моменты реализации наиболее сильных ледовых ударов.

В случае спектрального анализа, временным интервалам, в пределах которых имела место самоорганизация, соответствуют упорядоченные спектрограммы, отражающие скоррелированный характер колебаний в деформационном процессе (рис. 4 г, д, е). Вне этих интервалов спектрограммы имеют хаотический характер (рис. 4 а, б, в, ж).

Рис. 4.

Спектрограммы временного ряда деформаций ледового покрова с 9 ч до 16 ч 07 марта 2021 г. для почасовых интервалов: 9‒10 ч (а); 10‒11 ч (б); 11‒12 ч (в); 12‒13 ч (г); 13‒14 ч (д); 14‒15 ч (е); 15‒16 ч (ж). з – графическое отображение исходных данных.

По результатам сейсмического мониторинга ледового покрова установлено, что автоволновые процессы, предваряющие ледовые удары, в среднем имеют частоту 0.1 Гц. Непосредственно во время ледового удара реализуются несколько колебаний большой амплитуды с частотами 0.6–1.2 Гц. Длительность этих колебаний составляет поряд- ка 10 с.

С учетом выявленных особенностей реализации деформаций и микросейсмических колебаний льда перед ледовыми ударами выполнен аналогичный анализ данных деформационного и сейсмического мониторинга на геодинамическом полигоне Бугульдейка перед Кударинским землетрясением 09.12.2020 г. (M_w = 5.5). Полигон расположен напротив его эпицентра на Западном берегу Байкала рядом с одноименным поселком (координаты: 52.567° с.ш., 106.136° в.д.).

Для спектрального анализа данных деформационного мониторинга временной ряд был разбит на следующие интервалы: 1‒30 июня; 1‒31 июля, 1‒31 августа; 1‒20 сентября – 22‒30 сентября – 1‒30 октября (рис. 4).

Приведенные спектрограммы показывают, что структура и интенсивность осцилляций меняются во времени, что наиболее отчетливо проявлено на периодах в интервале их значений от Е5 до Е6. На первой спектрограмме в этом интервале насчитывается четыре основных периодов со значениями параметра “периодограмма” более 1000 (рис. 5 а). В следующий временной интервал количество основных периодов увеличивается до пяти, за счет появления дополнительного периода 1.6Е6. При этом значения параметра “периодограмма” возрастают в два раза на фоне усиления хаотизации спектрограммы (рис. 5 б). В третий интервал количество основных периодов осцилляций со значениями параметра “периодограмма” более 1000 увеличивается до восьми, а структуре спектрограммы проявляется упорядоченность (рис. 5 в), аналогичная выше представленной на рисунке 4 г и 4 д. В последующий, предсейсмогенный интервал, эта упорядоченность сохраняется на фоне увеличения параметра “периодограмма” более чем в два раза (рис. 5 г). После землетрясения структура спектра перестраивается. В последнюю декаду сентября значимой остается только большепериодная осцилляция 4Е5 (рис. 5 д). В последующий расчетный период происходит существенное снижение параметра “периодограмма”, а спектрограмма имеет неупорядоченную структуру с преобладанием веса малопериодных осцилляций (рис. 5 е).

Рис. 5.

Результаты спектрального анализа данных деформаций горных пород в пункте Бугульдейка для временных интервалов: 1‒30 сентября (а), 1‒31октября (б), 1‒30 ноября (в), 1‒9 декабря (г), 11‒31 декабря (д), 1‒31 января, 2020 (е).

Спектральный анализ микросейсмических шумов до и после Кударинского землетрясения показал, что за 14 ч до него на сейсмограмме наблюдается постепенно увеличение амплитуд автоколебаний в частотном диапазоне от 0.01 до 0.1 Гц. Максимальное увеличение амплитуд составляет 19.5 относительно фона. Увеличение фона наблюдалось также в течение 9 ч после главного толчка. Поляризационный анализ микросейсмического шума показал четко выраженную ориентацию колебаний в юго-восточном направлении (средний азимут – 121°), что хорошо согласуется с азимутом на эпицентр основного толчка – 124.6°. Анализ сейсмограмм за предыдущий период (с 01 декабря) и через 10 ч после Кударинского землетрясения подобных эффектов в поле микросеймических шумов не выявил.

Таким образом, из приведенных результатов следует, что низкочастотные автоволновые колебания, зарегистрированные перед ледовыми ударами, имели место и перед Кударинским землетрясением. Это позволяет рассматривать их как устойчиво проявляющий процесс, предшествующий сейсмогенной подвижке по разлому.