научная статья по теме ЛЕДОВЫЙ ПОКРОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ КАК МОДЕЛЬНАЯ СРЕДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ Математика

Текст научной статьи на тему «ЛЕДОВЫЙ ПОКРОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ КАК МОДЕЛЬНАЯ СРЕДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 412, № 5, с. 656-660

УДК: 550.34, 551.24

ЛЕДОВЫЙ ПОКРОВ ОЗЕРА БАЙКАЛ КАК МОДЕЛЬНАЯ СРЕДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Поступило 15.08.2006 г.

Изучение реальных геологических сред встречает существенные трудности, связанные с масштабами объектов (например, длина разломов меняется от десятков до тысяч километров) и значительными временами геологических процессов (для получения достоверной информации об особенностях отклика разломов на воздействия необходимы многолетние наблюдения). Накопление деформаций происходит десятки и даже сотни лет [1-3]. Поэтому перспективным направлением в изучении тектонических процессов в земной коре является физическое моделирование на упрощенных и уменьшенных в размерах блочных системах, чьи реологические характеристики, характер строения и динамика воздействия могут рассматриваться как подобные земной коре [4, 5]. Настоящая работа посвящена изучению возможности использования разломно-блоковой системы ледового покрова оз. Байкал и динамики ее нагружения в качестве объекта для моделирования геотектонических и сейсмогеологических процессов в литосфере. Исследования и наблюдения проводились в ходе экспедиций СО РАН

Институт геологии и минералогии

Сибирского отделения Российской Академии наук,

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской Академии наук, Томск

Институт земной коры

Сибирского отделения Российской Академии наук, Иркутск

Берлинский технический университет, Германия

Сибирского отделения Российской Академии наук, Иркутск

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука

Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск

2005-2006 гг. с участием ученых Берлинского университета (Германия).

Визуальное изучение ледового покрова оз. Байкал показывает, что он является классическим представителем иерархически организованных разломно-блоковых сред и состоит из блоков разного размера, разделенных трещинами. При этом трещины, пронизывающие на всю толщину ледовый покров, фактически являются межблочными границами (интерфейсами), обеспечивающими преобладающую часть деформационной способности ледового поля, и играют роль, во многом аналогичную зонам межплитных или межблоковых тектонических разломов в литосфере. Иерархическая организация блочной структуры ледового покрова оз. Байкал определяет одно из преимуществ его как модельной среды, а именно возможность выбора характерных размеров блоков в широком интервале масштабов (от нескольких метров до многих километров). Важным преимуществом рассматриваемой модельной системы является относительно небольшая длительность характерных процессов деформации и разрушения (как правило, не превышающая нескольких суток или недель).

Важным фактором, обеспечивающим сходство ледового покрова оз. Байкал и фрагментов литосферы, является реология льда. При типичных зимних температурах лед Байкала является хрупким поликристаллическим материалом, область необратимых деформаций которого сопоставима по длине с областью упругости [6-8]. В то же время при приближении температуры льда к точке плавления (0°С) происходит его "пластификация", сопровождающаяся уменьшением модуля Юнга, предела текучести и предела прочности. В силу сказанного выше при сопоставлении земной коры и ледового покрова оз. Байкал важно отметить общий характер изменения температуры с глубиной. Так, при удалении от поверхности температура льда возрастает от величины, соответствующей температуре воздуха (-15. -30°С), до температуры воды (около 0°С). Отметим, что

литосфера находится в подобных условиях, поскольку температура ее поверхности соответствует температуре воздуха (т.е. много ниже температуры плавления), а температура на нижней границе близка к температуре астеносферы (т.е. близка к температуре плавления соответствующих геоматериалов) [1, 9]. Однотипный характер температурного изменения механических характеристик льда и литосферы обеспечивает качественное подобие изменения реологии ледового покрова оз. Байкал и литосферы. Следует также отметить, что и ледовый покров, и литосфера "покоятся" на расплавленной (в случае литосферы - вязкой, частично расплавленной) подложке, что является важным фактором, обеспечивающим качественное сходство условий на нижних границах рассматриваемых сред. Это во многом определяет и общие закономерности их механического поведения.

Важным фактором иерархической блочной организации ледового покрова является его напряженное состояние, возникающее в результате взаимодействия формирующегося или движущегося (под воздействием ветра и течений) ледового покрова с берегами. Очевидно, что ввиду морфологического разнообразия берегов Байкала напряженно-деформированное состояние ледового покрова крайне сложное и неоднородное и может включать в себя элементы растяжения, сжатия, сдвига и изгиба.

Береговой рельеф определяет участки, на которых создаются наиболее благоприятные условия для образования трещин, которые "рассекая ледяной покров в продольном и поперечном направлениях на отдельные ледяные поля, имеют вполне закономерное расположение, повторяющееся из года в год" [10]. Необходимо отметить, что основными факторами, воздействующими на ледовый покров и определяющими изменение напряженного состояния системы, аргюй являются температурные колебания воздуха, связанные с солнечной инсоляцией, наличие снегового покрова, ветровая нагрузка, подледные течения, температурная конвекция воды, но роль каждого из них оценить трудно из-за многофакторности и других причин.

Результаты исследований и наблюдений, проведенных в ходе экспедиционных работ, показали, что ряду механизмов деформации разломно-блокового ледового покрова оз. Байкал могут быть поставлены в соответствие эффекты, известные в геодинамике, такие как спрединг, суб-дукция, пул-апарт и другие [1, 11—13]. Частные примеры формирования таких структур в ледовом покрове приведены на рис. 1.

Помимо общего изучения характера и особенностей поведения блочного ледового покрова оз. Байкал, находящегося в сложных стесненных

Рис. 1. Примеры формирования структур типа спре-динга (а), субдукции (б) и pull-apart (в) в ледовом покрове оз. Байкал.

условиях нагружения, в ходе экспедиции проводилось детальное инструментальное исследование деформационного режима его фрагмента, связанного с одной из активных становых трещин. Карта-схема изученного участка этой границы раздела приведена на рис. 2.

Рис. 2. Карта южной части озера Байкал. Сплошной линией изображены визуально обследованные участки активной трещины; штриховой линией изображены приблизительные направления дальнейшего распространения изучаемых активных трещин.

Данная трещина представляет собой цепочку более мелких кулисообразных трещин под углом

35° к широтной линии, работающих как единая граница раздела. Длина каждой из слагающих изучаемую границу раздела трещин доходит до нескольких километров. При этом каждая последующая трещина (в направлении от берега) располагается юго-восточнее предыдущей, что указывает на правосторонний характер сдвиговой компоненты смещений в целом по рассматриваемой генеральной трещине. Расстояние между

Рис. 3. Карта-схема инструментально исследуемого участка линии активной границы раздела ледовых блоков. Сплошные линии соответствуют прочерченным по показаниям GPS линиям трещин; штриховые линии - приблизительное направление распространения трещин; стрелками показано направление относительных нормальных и сдвиговых смещений краев трещин в течение 6 дней, цифры возле стрелок - величины смещений в миллиметрах.

краями соседних трещин приблизительно одинаковое и доходит до нескольких десятков метров, причем их края соединены несквозными или замерзшими трещинами. Такая морфогенетическая схема становой трещины отражает кинематику ее роста и может быть рассмотрена как масштабированная модель формирования сейсмогенери-рующего магистрального тектонического разлома (рис. 3).

В ходе экспедиции 2006 г. проводились инструментальные измерения относительных нормальных и сдвиговых смещений берегов трещин, разделяющих ледовые блоки. Использованное оборудование позволяло проводить измерения с точностью до нескольких микрон. Результаты измерений показывают, что в течение всего периода наблюдений происходили активные деформационные процессы в наблюдаемом фрагменте блочной среды, что, в частности, проявлялось в разрастании изучаемой границы раздела. При этом величина роста и расширения возрастает при удалении от берега (рис. 3). Так, если вблизи точки пересечения трещины В с поперечной активной трещиной В1 (возникшей намного позже трещины В) полная величина растяжения в течение 6 дней составила 12 мм, то всего лишь в нескольких километрах далее от берега раскрытие трещины достигло почти полуметра. Фрагменты этих участков трещины показаны на рис. 2. Следует отметить, что при следовании по трещине В от места пересечения с трещиной В1 в направлении берега (т.е. вверх на рис. 3) видимая ширина "активной" полосы (т.е. полосы открытой воды или тонкого слоя молодого льда) уменьшается и не превышает нескольких сантиметров. Это говорит о том, что, по-видимому, основные деформационные процессы, происходящие за время наблюдения в изучаемом фрагменте ледового покрова, связаны с формированием блока, ограниченного трещинами А-В-В1.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎