История лаборатории тектонофизики

Работы лаборатории тектонофизики или, как ее часто и справедливо называют, лаборатории Гзовского за все время ее существования можно разделить на несколько периодов:

Первый , предшествующий созданию лаборатории М.В.Гзовским - 1946-1965гг, можно назвать романтическим, когда публикуемые в статьях новые идеи М.В., подкрепленные результатами исследований, проводимых им с рядом сотрудников ИФЗ и поддерживаемые коллективом лаборатории и ее руководителем В.В.Белоусовым, быстро распространялись среди ученых и практиков и находили и понимание и одобрение и последователей как в нашей стране так и за рубежом.

Второй , становление нового подразделения со всеми сопровождающими этот процесс сложностями в 1965 - 1971гг - период выработки стратегического направления исследований лаборатории. Он закончился преждевременной смертью руководителя.

Третий , период с 1971г - время проведения кропотливых исследований в намеченных ранее направлениях можно охарактеризовать стремлением точно следовать намеченному курсу и проводить работу на самом высоком научном уровне, что было сопряжено с определенными трудностями, так как новая дисциплина образовалась на стыке таких разнородных предметов, как в общем-то описательная - тектоника и точная наука - физика; в связи с этим особое значение в это время приобретают теоретические исследования.

В настоящее время большие усилия, направленные на развитие методической базы тектонофизических исследований, начинают приносить свои плоды. Работы сотрудников лаборатории становятся все более востребованы в области исследования геодинамических процессов, сейсмического районирования, физики очага землетрясения, поиска полезных ископаемых.

ПЕРИОД ДО 1965 г.

Работы по тектонофизике в рамках лаборатории В.В.Белоусова были начаты М.В.Гзовским в конце сороковых годов, и к моменту создания лаборатории тектонофизики в 1965 году им были определены круг задач и предмет тектонофизики; намечен в целом и определен на ближайшее будущее круг задач по физическим основам тектонофизики; определены основные тектонофизические методы исследования в рамках этой новой дисциплины: полевые, экспериментальные и теоретические.

Одновременно рассмотрен целый ряд конкретных тектонофизических задач, среди которых были и традиционные задачи тектоники, рассматриваемые теперь с тектонофизических позиций и новые задачи, решение которых возможно только методами тектонофизики.

Перечислим главные разработки этого периода, ограничиваясь самыми существенными с нашей точки зрения.

ЗАЛОЖЕНЫ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ:

1. Создано учение о тектонических полях напряжений как основе нового подхода к изучению традиционных объектов исследования тектоники - складчатых и разрывных деформаций разного уровня, а также механизмов их образования;

2. Созданы с учетом физического аспекта рассмотрения новые классификации основных объектов исследования тектоники: складок, разрывов, механизмов их формирования.

3. Проведены исследования тектонофизическими методами, главным образом полевыми и с помощью моделирования следующих объектов:

а. Разрывов - рассмотрена теория образования тектонических разрывов в рамках механики сплошной среды, исследованы типы разрывов, особое внимание уделено изучению трещиноватости, исследован механизм образования крупных разрывов, положено начало изучению влияния разрывов на исходное поле напряжений.

б. Складок - определены основные механизмы образования складчатости, рассмотрены механизмы поперечного изгиба, продольного сжатия и изгиба.

в. Механизмов - в качестве основных типов механизмов тектонических деформаций и полей напряжений намечены области: выжимания, нагнетания, поперечного изгибания, и области в окрестностях тектонических разрывов.

4. Создано учение о градиентах вертикальных скоростей перемещений поверхности, которые рассматривались как один из возможных аргументов для определения величин тектонических полей напряжений.

Особое внимание уделялось изучению полей напряжений при формировании тектонических структур, а также физическим характеристикам свойств структур, влияющих на протекание этого процесса, с учетом его длительности. В рамках учения о тектонических полях напряжений на моделях из оптически активных материалов были начаты исследования влияния разрывов на поле напряжений, существовавшее до их возникновения.

ЗАЛОЖЕНЫ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕКТОНОФИЗИКИ:

Разработан целый ряд методов тектонофизических исследований, в том числе:

1. Реконструкция направлений главных нормальных напряжений на основе закона разрушения Кулона с привлечением полевых данных об ориентировке тектонических трещин или о сейсмическом разрушении (о механизмах очагов землетрясений).

2. Приложена к моделированию тектонических структур теория условий подобия и научно обоснован выбор ряда эквивалентных материалов;

3. Разработана методика исследования свойств эквивалентных материалов (в том числе оптически активных, упругих и вязких) и созданы приборы для таких испытаний;

4. Сделано обобщение свойств геоматериалов с учетом длительности тектонических процессов;

5. Созданы первые приборы для оптического и эквивалентного на непрозрачных материалах моделирования тектонических процессов

ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЯДА РЕГИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР:

Проведено тектонофизическое исследование ряда региональных структур с реконструкцией направлений тектонических главных напряжений, в том числе исследовалось крупное тектоническое сооружение Байджансайский антиклинорий.

ПУБЛИКАЦИИ ЭТОГО ПЕРИОДА

Все перечисленные исследования и разработки были опубликованы в серии статей пятидесятых годов М.В.Гзовского, некоторые из которых были написаны с соавторами, его коллегами, сотрудниками ИФЗ и других институтов, а также с его учениками: В.В.Белоусовым, Д.Н.Осокиной, И.М.Кузнецовой, Е.И.Чертковой, В.И.Крестниковым, И.Л.Нерсесовым, Г.И.Рейснером, Н.Н.Леоновым, И.А.Резановым, В.И.Буне К.К.Запольским, В.И.Кейлис-Бороком, Л.Н.Малиновской, Г.И.Павловой, Т.Г.Раутиан, Ю.В.Ризниченко, В.И.Халтуриным, Н.А.Щеголевской, С.И.Соколовым, Г.В.Виноградовым, В.П.Павловым, Г.П.Горшковым, Г.А.Шенкарёвой, Ма-Цзинь, Л.С.Гембицким, а также в двухтомной монографии 1959-63гг «Основные вопросы тектонофизики и тектоника Байджансайского антиклинория. Ч.I-IV» М.В.Гзовского и «Пластичные и упругие низкомодульные оптически активные материалы для исследования напряжений в земной коре методом моделирования» Д.Н.Осокиной.

ПЕРИОД 1965 – 1971 гг.

В рассматриваемый период в связи с финансированием лаборатории по договору с ГИДЕП много сил и времени уделялось вопросам оценки сейсмической опасности и сейсморайонированию. Целый ряд публикаций этого времени посвящён описанию результатов этих исследований. В это же время разрабатывались принципы глубинно-структурного районирования земной коры и интерпретации данных о новейших и современных движениях.

По-прежнему в центре внимания оставалась задача реконструкции тектонических полей напряжений, как по величине, так и по направлению, систематизировались и обобщались результаты определений параметров тензора напряжений различными методами и оценивались их возможности, были сделаны первые попытки формализации действий при реконструкции траекторий напряжений.

Совершенствовались методы экспериментального тектонофизического моделирования, была создана первая оптическая модель конкретного участка земной коры (Гармского геофизического полигона). Разработана методика количественной оценки деформаций, перемещений и свойств (вязкости), а также оценки расхода энергии на разрушение и деформирование поэтапно в процессе моделирования тектонических структур на непрозрачных эквивалентных материалах.

Были созданы первые в нашей лаборатории математические модели распределения напряжений и деформаций в начальный момент формирования тектонических структур. Изучались деформации и напряжения в слое над опускающимся блоком, в слое, испытывающем боковое давление, а также деформации и перемещения в слое (коре) над гипотетическими конвекционными потоками в мантии; было также сделано обозрение существующих методов математического моделирования и обобщены результаты.

К этому периоду относятся также работы, проводившиеся Д.Н.Осокиной совместно с Лабораторией высоких давлений ИФЗ, посвященные вопросам исследования поглощающих и упругих свойств горных пород и корреляции между ними. В дальнейшем предполагалось развитие этих работ с постановкой длительных измерений деформаций в горных породах на образцах, сопоставлением этих данных с результатами измерений в целиках (in citu) и выявлением корреляции с данными геофизических измерений с тем, чтобы расширить возможность оценки механических свойств геологических массивов по геофизическим характеристикам.

Кроме цикла статей, вышедших в этот период, в 1971г. совместно с лабораторией высоких давлений был выпущен сборник статей «Тектонофизика и механические свойства горных пород», а затем монография М.В.Гзовского «Математика в геотектонике», которая хотя и вызвала у математиков некоторые нарекания, отразила осознанную в этот период коллективом лаборатории и её руководителем необходимость количественных исследований, к тому же физически более строго обоснованных, чем ранее. Наконец, в 1975 г. вышла монография: М.В.Гзовский, «Основы тектонофизики», подготовленная и изданная сотрудниками лаборатории и женой автора посмертно, которая завершила этот цикл работ и подвела итог исследованиям автора в области тектонофизики.

РАБОТА ЛАБОРАТОРИИ ПОСЛЕ 1971

С 1971 года работа лаборатории осуществлялась в следующих направлениях:

1. Реконструкция тектонических полей напряжений и сейсмотектонических деформаций различного уровня по геологическим и сейсмологическим данным. (О.И.Гущенко, Ю.Л.Ребецкий, В.В.Степанов.)

2. Натурные и теоретические исследование взаимосвязи разномасштабных полей напряжений и деформаций, развивающих в неоднородных массивах (трещины и включения) и в массивах с текстурой в виде упорядоченных систем трещин и складок (О.И.Гущенко, Д.Н.Осокина, Ю.Л.Ребецкий, Ф.Л.Яковлев)

3. Исследование типичных элементарных механизмов деформирования тектонических структур с помощью теории и на моделях. (И.М.Волович, А.С.Григорьев, О.И.Гущенко, А.В.Михайлова, Д.Н.Осокина, Ю.Л.Ребецкий )

4. Изучение и реконструкция механизмов деформирования региональных тектонических структур. (О.И.Гущенко, А.В.Михайлова, Е.С.Никитина, Ю.Л.Ребецкий, Ф.Л.Яковлев, А.В.Маринин)

5. Совершенствование тектонофизических методов исследования. (А.С.Григорьев, О.И.Гущенко, А.В.Михайлова, Д.Н.Осокина, Ю.Л.Ребецкий, Ф.Л.Яковлев)

6. Реконструкция тектонических полей напряжений и сейсмотектонических деформаций различного уровня по геологическим и сейсмологическим данным. (О.И.Гущенко, Ю.Л.Ребецкий, В.В.Степанов, А.В.Маринин.)

Развитие методов реконструкции природных тектонических полей напряжений по данным о трещинах сдвига и механизмам очагов землетрясений

Этой проблеме в лаборатории тектонофизики всегда уделялось особое место и внимание, поскольку именно эти данные составляют наряду с характеристиками перемещений основу тектонофизических исследований, позволяющих получить необходимые сведения о механизмах деформирования тектонических структур и осуществить их реконструкцию.

На первом этапе становления этого направления М.В.Гзовским был разработан «метод анализа сопряженных пар сколовых трещин» [М.В.Гзовский, «Сов.геолог.», сб.41, 1954]. Этот метод вытекал из анализа систем сколовых трещин на базе постулатов теории прочности массивов горных пород.

К 1979г. был создан, опробован и опубликован новый метод «кинематического анализа сколовых трещин» реконструкции траекторий главных напряжений, в основе которого лежала модель квазиоднородного деформирования трещиноватого горного массива с позиции дислокационной теории пластичности Батдорфа-Будянского [О.И.Гущенко, В.Кузнецов, «Поля напряжений и деформаций в литосфере», сб., 1979]. Также, как и предшествующий «метод анализа сопряженных пар сколов», «метод кинематического анализа» позволял использовать как геологические так и сейсмологические данные, определяя на их основе не только ориентации главных осей напряжений и тип напряженного состояния, но и соотношение главных напряжений - коэффициент Лоде-Надаи. В эти же годы В.В.Степановым в развитие идей Ризниченко осуществлялось создание метода расчета параметров тензора скорости сейсмотектонических деформаций по совокупности сколов [В.В.Степанов, «Поля напряжений и деформаций в литосфере», сб., 1979].

С середины 90х годов разрабатывается метод «катакластического анализа совокупностей сколовых трещин», в основе которого лежат постулаты и принципы современной теории пластичности твердых тел [Yu.L.Rebetsky, Journal of earthquake prediction research, Beijing, China, 1997, V6, N 1; Ю.Л.Ребецкий Доклады РАН, 1997, Т. 354, N 1, Доклады РАН, 2003, T. 3, №  2. С. 237-241]. Этот метод не постулирует изотропность свойств массивов горных пород и позволяет рассчитывать как параметры тензора тектонических напряжений, так и скорости сейсмотектонических деформаций. Использование при анализе на диаграмме Мора критерия прочности Кулона с учетом существующей трещиноватости горных пород впервые позволило разработать процедуры оценки относительных величин шаровой и девиаторной компонент тензора напряжений.

Натурные и теоретические исследование взаимосвязи разномасштабных полей напряжений и деформаций неоднородных массивов и массивов с текстурой в виде упорядоченных систем трещин и складок

Созданы новые приборы для исследования полей напряжений на моделях из оптически активных низкомодульных упругих и пластических материалов. Было осуществлено исследование различных типов материалов, пригодных для моделирования тектонических деформаций и процессов [Д.Н.Осокина, Пластичные и упругие низкомодульные оптические материалы для исследования напряжений в земной коре методом моделирования. Изд-во АН СССР, 1963]. На основе этих приборов и теоретических расчетов детально было исследовано: влияние на поле напряжений одного разрыва, а также различных комбинаций разрывов; влияние сдвигового разрыва с трением между его берегами; а также влияние "мягких" и "жестких" включений [Д.Н.Осокина, Н.Ю.Цветкова, «Поля напряжений и деформаций в литосфере», сб., 1979; Д.Н.Осокина, В.Н.Фридман, «Поля напряжений и деформаций в земной коре», сб., 1987].

Разработан метод эквивалентного моделирования геологических тектонических структур на оптически активных и непрозрачных материалах, методы и приборы исследования свойств эквивалентных материалов в диапазоне свойств, отвечающих требованиям подобия при моделировании геологических структур. Развивались методики оценки перемещений, деформаций, свойств и напряжений в моделях из непрозрачных материалов с привлечением компьютера. (Осокина, Михайлова)

Исследована иерархическая структура тектонических полей напряжений и ее особенности, предложен способ разделения полей различных рангов в окрестностях точки и выделения границ между ними. Сочетание аналитических и экспериментальных методов исследования позволило изучить характер распределения вторичных нарушений, прогнозировать их тип в разных областях в окрестностях разрыва в зависимости от соотношений величин главных напряжений, а также от ориентировки разрыва относительно траекторий исходного поля напряжений и величины трения на его берегах [Д.Н.Осокина, «Поля напряжений и деформаций в земной коре», сб., 1987].

Параллельно с описанными "теоретическими" исследованиями было изучено влияние тектонических разрывов на современное напряженное состояние некоторых региональных тектонических структур в сейсмоопасных областях, таких как сочленение Памира и Тянь-Шаня, Копетдаг, [Д.Н.Осокина, О.И.Гущенко, В.И.Лыков, Н.Ю.Цветкова, «Поля напряжений и деформаций в литосфере», сб., 1979; Д.Н.Осокина, В.И.Лыков, Э.Л.Шиханович, «Поля напряжений и деформаций в литосфере», сб., 1979;], Сан-Андреас [Д.Н.Осокина, А.А.Никонов, Н.Ю.Цветкова, «Поля напряжений и деформаций в литосфере», сб., 1979] с целью оценки сейсмической опасности в различных частях этих областей.

Для исследование эволюции реологической анизотропии многослойных складчатых комплексов был разработан аналитический метод, позволивший для некоторых типов складок (шевронные складки) фактически с одной стороны получить зависимость эффективных реологических констант среды от особенности строения слоистых массивов (степени расслоености недеформированного массива, реологических свойств отдельных слоев, степени деформированности массива и характера внешнего нагружения), а с другой проследить для случая неизменном внешнего нагружения слоистого массива эволюцию локальных полей напряжений в слоях крыльев складок вплоть до этапа формирования интенсивных складчатых форм [Ребецкий Ю.Л., Гущенко О.И., Изв.РАН Физики Земли, 1995, N8, с. 5-24]. В этой работе впервые применительно к горным массивам аналитически были получены уравнения состояния, описывающие деформационно нелинейную анизотропную ползучесть твердых тел.

Для природных складчатых областей разработано представление о системе иерархических уровней объектов линейной складчатости, основой которой является разный объем охватываемой слоистости: (1) внутрислойные деформированные объекты, отдельные складки (слои и переслаивания), складчатые домены (однородные мощные пачки слоев), структурные ячейки (весь осадочный чехол), тектонические зоны (вся кора), мегантиклинории (тектоносфера), подвижные пояса (мантия плюс кора) [Ф.Л.Яковлев Диагностика механизмов образования линейной складчатости по количественным критериям ее морфологии (на примере Большого Кавказа). М., ОИФЗ РАН, 1997, 76 с.]. Ценность этой системы состоит в том, что анализ сложных природных комплексов проводится отдельно для объектов каждого уровня и нет необходимости создавать модели, охватывающие и отдельные складки (первые метры) и мегантиклинории (десятки километров). Анализ механизмов формирования структур проводится последовательно от более простых малых объектов (например типа оолитов — стрейн-анализ) к все более крупным и сложным. Анализ проводится с использованием одних и тех же количественных замеров морфологии объектов как природных так и модельных (известного генезиса), что позволяет методически корректно сравнивать их друг с другом с целью выяснения природы первых. Разработан комплекс морфологических и кинематических методов анализа, охватывающий объекты всех уровней.

Исследование типичных элементарных механизмов деформирования тектонических структур с помощью теории и на моделях. (И.М.Волович, А.С.Григорьев, О.И.Гущенко, А.В.Михайлова, Д.Н.Осокина, Ю.Л.Ребецкий). Был создан аналитическо-экспериментальный метод изучения процессов формирования тектонических структур, при котором начальная стадия формирования при малых деформациях и отсутствии нарушений сплошности детально исследовалась аналитически методами механики сплошной среды, а дальнейшие стадии процесса изучались на моделях из эквивалентных материалов, в которых был исследован целый класс структур, образующихся в слое над активными разломами фундамента [А.С.Григорьев, А.В.Михайлова, сб. Экспериментальная тектоника в теоретической и прикладной геологии, М., Наука, 1985].

На основе данного подхода исследовались: перемещения и их характеристики, в том числе градиенты скоростей вертикальных перемещений поверхности, распределение деформаций и их скоростей в образующихся структурах, картины траекторий главных деформаций (напряжений) и разрушения. На моделях прослеживалось развитие структур на нескольких стадиях вплоть до их разрушения. Это позволило не только составить полную картину их формирования, но и убедиться в правильности теоретических расчетов, прогнозирующих структуры разрушения [А.С.Григорьев, И.М.Волович, А.В.Михайлова, Ю.Л.Ребецкий, З.Е.Шахмурадова, «Поля напряжений и деформаций в земной коре», сб., 1987]. Исследования были проведены применительно как к однородным так и к слоистым массивам. Работы проводились в контакте с подразделением ИГиРГИ, изучавшем современные движения в Припятской и Терско-Сунженской впадинах.

Изучение механизмов деформирования региональных тектонических структур

Изучение современных механизмов деформирования региональных тектонических структур проводилось на базе реконструированных в нашей лаборатории современных тектонических полей напряжений и сводилось к реконструкции методами моделирования, аналитического или экспериментального (эквивалентного моделирования), этих механизмов. Моделирование считалось успешным, а механизм считался восстановленным с необходимой степенью приближения удовлетворительно, если модельное поле деформаций было идентично природному, а также были выполнены некоторые другие условия с заданной степенью точности: если были признаны идентичными перемещения поверхности, характер разрушения, распределение коэффициента Лоде-Надаи и др.

С применением «метод кинематического анализа» были построены траектории для ряда участков Памиро-Тянь-Шаня (в том числе для хребта Петра I) и Камчатки, а также карта траекторий главных нормальных и касательных напряжений всего континента Евразии [О.И.Гущенко, «Поля напряжений и деформаций в литосфере», сб., 1979]. С 1989 г. работа по совершенствованию алгоритмов методики реконструкции на базе «метода кинематического анализа» продолжается с использованием новых технологий, создается компьютерный вариант методика, опирающаяся [О.И.Гущенко, Ю.Л.Ребецкий, Тезисы докладов первого международного семинара «Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)», 1994]. Создается банк данных о механизмах очагов землетрясений для ряда регионов, что позволяет провести реконструкцию траекторий современных главных напряжений и исследовать тип напряженного состояния для ряда регионов, в том числе: Кавказо-Ирана [О.И Гущенко, А.О., Мострюков, В.А. Петров, ДАН СССР сер.геоф. 1990. Т 312. N 4.], Юго-Восточной Азии [О.И.Гущенко, Ю.Л.Ребецкий, А.В.Михайлова, Г.В.Россанова, А.А.Ломакин, Т.П.Арефьева, Механика структурообразования в литосфере в литосфере и сейсмичность, М., 1991, с. 165-166].

Исследование механизмов формирования складчатых (не современных) структур проводилось пришедшим в лабораторию в 1992 г. Яковлевым. В отличие от остальных направлений, специфика объекта заставляла изучать не поля напряжений, а поля перемещений (деформаций) как природных так и модельных структур. Основные разработанные методы позволяют изучать механизмы формирования структур нескольких масштабных уровней от отдельных складок до мегантиклинориев. Разработаны два подхода - морфологический (полуколичественный), позволяющий выявить список возможных механизмов формирования и кинематический (количественный), позволяющий определить в цифрах размер деформации и долю каждого простого механизма в сложном процессе путем сравнения природной (или экспериментальной) структуры с моделью процесса, лежащей в основе кинематической методики. Уже полученные реконструкции относятся к отдельным складкам, складчатым доменам, ряду тектонических зон и к самому мегантиклинорию Большого Кавказа.