Методы изучения активных разломов

Изучению активных разломов посвящена обширная литература. Подробно история становления этого направления тектонических исследований описана В.Г. Трифоновым [Трифонов, 1983; Трифонов, 1985; Trifonov, 2000]. В России большой вклад в развитие методики изучения активных разломов в разных геодинамических ситуациях и регионах внесли К.Е. Абдрахматов, А.В. и С.Г. Аржанниковы, В.С. Буртман, А.В. Ваков, Т.П. Иванова, В.С. и Л.П. Имаевы, Р.М. Лобацкая, Н.В. Лукина, О.В. Лунина, В.И. Макаров, Е.А. Рогожин, С.Ф. Скобелев, О.П. Смекалин, А.Л. Стром, С.И.Шерман, А.В.Чипизубов и др.

Из последних зарубежных сводок следует отметить чрезвычайно подробные систематизированные описания методических и практических аспектов изучения активных разломов в двух изданиях книги “Палеосейсмология” под редакцией МакКалпина [Paleoseismology, 1996, 2009], книгах «Геология землетрясений» Р. Йейтса и др. [Yeats et al., 1997], «Механика землетрясений и разломов» К. Шольца [Scholz, 2002].

Прежде всего, необходимо пояснить, что это такое – «активный разлом», а также применение понимания этого термина на практике, при картировании активных разломов. Это важно, так как обнаружение активных разломов представляет наиболее важную и сложную составляющую в изучении активной разломной тектоники и возможно только при правильном понимании природы изучаемого объекта. Методы и способы уже обнаруженного активного разлома описывались подробно и неоднократно, но их применение возможно только тогда, когда есть уверенность, что оно обосновано.

Определение термина «активный разлом»

В многочисленных предложенных определениях термина чаще всего упоминаются два «свойства» активных разломов:
1) возможность (ожидаемость) подвижки в некотором ближайшем (геологическом) будущем и 2) время (возраст) последней подвижки по разлому [Slemmons, DePolo, 1986]. Очевидно, именно эти два «свойства» имел в виду Н.А. Флоренсов, отмечая, что «…Наиболее объективным показателем возможности землетрясений в будущем (читай – подвижки по разлому) является, несомненно, свидетельство того, что они происходили в данной местности в прошлом» [Флоренсов, 1963, с. 381].

Первое свойство – основное, достаточное для понимания смысла термина «активный разлом». Активный разлом – это разлом, по которому подвижка возможна. Ожидаемость будущей подвижки является тем, что переводит разлом в разряд активных. Все другие параметры, такие, как направление, средняя скорость движений, любые другие, свойственны разломам вообще, не зависят от возраста движений по ним, и, потому, не являются существенными для понимания термина. Именно это «свойство» активных разломов определяет необходимость их учета при изысканиях, предваряющих строительство любых важных объектов. Ведь если подвижка по разлому уже не произойдет (об основаниях см. ниже), то зачем его искать и принимать во внимание? На рисунках 1, 2 и 3 ниже приведены фотографии т.н. сейсморазрывов (earthquake faults) – результатов наиболее молодых (most recent), но не последних, подвижек по активным разломам, деформировавшим современную земную поверхность.





Второе свойство есть параметр, на основании которого можно предполагать возможность или невозможность подвижки в будущем. Этот параметр – возраст последней произошедшей по разлому подвижки или, что то же самое, продолжительность некоторого, считая от современности, интервала времени, в который последняя подвижка произошла. Этот параметр, если использовать его для определения активности или неактивности разлома, должен рассматриваться совместно с таким параметром, как период повторяемости подвижек (см. ниже).

Интервал времени, который был упомянут выше, определялся по разному. По мнению К. Аллена [Allen, 1975], его продолжительность ~ 10 тыс. лет, то есть примерно соответствует голоцену. По мнению В.Г. Трифонова [1983, 1985], этот интервал следует распространить вглубь времен до 100-130 тыс. лет при изучении подвижных областей, и до ~ 700 тыс. лет – стабильных платформенных. А.А. Никонов [1995] определил продолжительность искомого интервала примерно в 400 тыс. лет (поздний и средний неоплейстоцен).

Поясним, в чем состоит смысл этих интервалов времени, а также поддаются ли они настолько точному определению.
Подавляющее большинство разломов движутся импульсами, отдельными подвижками, разделенными периодами покоя продолжительностью в сотни и тысячи лет. При этом имеются в виду перемещения собственно по разломной плоскости, и это не означает, что две точки по разные стороны от разлома, на удалении от него, например, в 10-15 км, смещаются относительно друг друга также импульсно, отдельными подвижками. Отсутствие смещений по плоскости разлома при, в общем, непрерывном движении его крыльев на некотором удалении от него служит причиной накопления напряжений и, затем, после превышения предела прочности пород, их разрядке при подвижке (упругой отдаче, по [Reid, 1910]). Эта подвижка (смещение) проявляется как землетрясение. Разломов, движения по которым происходят постоянно и непрерывно, или же понемногу и часто (что может фиксироваться, например, геодезическими методами), то есть с криповым режимом смещений («криповых»), чрезвычайно мало.

Предположим, установлено, что по некоторому разлому подвижки происходили с периодичностью раз примерно в 2 тыс. лет, и наиболее молодая подвижка произошла около 10 тыс. лет назад. Это означает, что движений по разлому не было в течение периода времени, включившего несколько средних периодов повторяемости (рис. 4, вариант А). Видимо, в таком случае можно предположить, что движений по разлому больше не будет и определить разлом как не активный. Если при том же интервале повторяемости подвижек самая молодая произошла 500 лет назад, то есть с ее момента прошло времени меньше одного среднего периода повторяемости (рис. 4, вариант Б), то вполне вероятно, что за ней последуют другие. Такой разлом следует считать активным.

Рис. 4. Идеальная схема импульсных подвижек по разлому. А – вероятно, уже не активный разлом, Б – определенно, разлом должен считаться активным (по [Кожурин и др., 2008])


Вернемся к искомым интервалам времени. Любой из названных интервалов (10, 100-130, и т.д., тыс. лет) представляет, по сути, возможный максимальный период повторяемости подвижек по разломам и только так и должен восприниматься. Очевидно, что знать точную продолжительность интервала, на самом деле, вряд ли возможно – доступна его лишь примерная оценка этого интервала, основывающаяся на том, что уже известно о периодах повторяемости из мировой практики.

Принятый в идеальной схеме период повторяемости в 2000 лет вполне реален, однако известны разломы и с гораздо более продолжительными промежутками времени между подвижками. Так, например, для разлома Умехара в Японии Окадой установлен средний период повторяемости подвижек примерно в 14-15 тыс. лет (по [Kumamoto, 1998]). Минимальный период повторяемости подвижек по одному из сбросовых активных разломов на Камчатке был оценен примерно в 9 тыс. лет (Кожурин и др., 2008). Сделав поправку на возможную неполноту данных, можно в качестве максимального среднего периода повторяемости принять интервал времени, скажем, в 20000 лет. Для полной уверенности (так как знание неполно) можно удвоить или даже утроить это значение. В итоге получаем, что максимальная продолжительность искомого интервала (периода повторяемости подвижек по активному разлому, времени накопления напряжений между подвижками по активному разлому) может составлять первые десятки тысяч лет, охватывая весь голоцен плюс некоторую часть позднего плейстоцена. Такая оценка близка к предложенной В.Г. Трифоновым для подвижных областей [Трифонов, 1983, 1985; Trifonov, 2000].

Итак, активный разлом, это разлом, для которого есть основания ожидать подвижку в будущем. Основанием для такого ожидания является наличие следов хотя бы одной подвижки по разлому в течение первых десятков тысяч лет, считая от современности [Кожурин и др., 2008].

Обнаружение (выделение) и картирование активных разломов

Последние десятки тысяч лет – это время, в течение которого сформировались позднеплейстоцен-голоценовые (позднечетвертичные) формы рельефа, называемые также молодыми. Отсюда следует, что активные разломы должны быть выражены в деформациях молодых форм рельефа, смещать их. Выраженность в рельефе в результате смещения форм рельефа и представляет практически эффективный и (в силу того, что рельеф есть везде) универсальный признак обнаружения и картирования активных разломов. Можно сказать – необходимый и достаточный.

Конкретное морфологическое выражение смещения в рельефе есть результат сочетания многих факторов, главными из которых являются тип (генетический) смещенной формы и кинематические параметры конкретного разрыва. Как правило, активные разломы выражены в рельефе уступами разной, часто меняющейся по простиранию разлома, высоты (например, как на рисунках 5 и 6).

Рис. 5. Сбросовый, с фасетами, уступ между Центральной Камчатской депрессией и поднятием Восточных хребтов (сегмент, соответствующий Ганальскому хребту). Высота хребта над депрессией здесь – около 1 км. Линия активного разлома проходит в основании склона. Вид на ЮВ. (фото А.И. Кожурина)


Рис. 6. Разломный уступ  в поверхности первой послеледниковой террасы правого притока р. Камчатка (хр. Кумроч). Вид примерно на юг. (фото А.И. Кожурина). Разрез под данным разломным уступом показан на рис. 12

Так выражены не только разломы с преимущественно вертикальными движениями, но и разломы, по которым движения практически чисто сдвиговые: смещаемые поверхности никогда не являются идеально ровными и горизонтальными, так что в одной точке разлома горизонтальными движениями могут быть совмещены первично разновысотные участки смещаемой поверхности. В этом случае, вертикальное смещение является видимым (иллюзорным) и не свидетельствует о существовании вертикальной компоненты в движении по разлому.

Так как активный разлом должен быть выражен в рельефе, то его можно обнаружить на разного рода изображениях земной поверхности, прежде всего, на аэрофотоснимках и космических снимках достаточного разрешения (вплоть до разрешения порядка 15 м, как у снимков LandSat). Рисунки 7 и 9 иллюстрируют, как может быть виден разлом на снимках.

Рис. 7. Правосдвиговый разлом в юго-восточной части Камчатского полуострова (по Koжурин и др., 2014). Вверху – аэрофотоснимок, белые стрелки расположены на линии разлома. Внизу – схема. Отмечена часть разлома (стрелка с надписью "фото"), изображенная на фотографии (рис. 8)


Рис. 8. Правосдвиговые смещения по активному разлому (разлом 2-й Перевальный) в юго-восточной части Камчатского полуострова, Камчатка. Вид на юг. Красные стрелки находятся на линии разлома. AA’ и BB’ – правосторонние смещения на примерно 150 и 35 м, соответственно (Кожурин и др. 2014). Фото А.И. Кожурина



Рис. 9. Взбросо-правосдвиговый активный разлом в Корякском нагорье на космическом снимке DZB1216-500395L008001, съемка 1980 г., разрешение после привязки к географической системе координат - ~ 5 м/пиксел. Желтые стрелки на Б опираются на линии активных разломов (по Пинегина, Кожурин, 2010). Последняя подвижка по этому разлому произошла в 2006 г. (Олюторское землетрясение 2006 г. с Мw 7.6)

При несомненном наличии общих черт у всех активных разрывных деформаций, интерпретация форм рельефа, в смысле их возможной обусловленности движениями по разломам или отсутствия связи с ними, каждый раз конкретна. Существуют несколько общих правил такой интерпретации [Трифонов и др., 1993; Кожурин и др., 2008; Трифонов, Кожурин, 2010].

Во-первых, следует убедиться, что формирование линейной формы рельефа (например, уступа в какой-то поверхности) не может быть объяснено действием не тектонических (эрозионных, денудационных, аккумулятивных, мерзлотных и т.д.) процессов.

Во-вторых, должно наблюдаться соответствие между величиной накопленных разломных деформаций и возрастом смещаемых элементов рельефа: более древняя форма рельефа должны быть смещена на большую величину, и наоборот. Хорошей иллюстрацией этому положению служит ставший уже классическим рисунок из статьи А. Сугимуры и Т. Матсуды 1965 года, посвященной разлому Атера в Японии (рис. 10). Наращивание величины смещения (накопленного смещения) можно видеть также на рис. 7 В.

Рис. 10. Левосдвиговое, при уступающем вертикальном, смещение последовательности террас по разлому Атера в Японии (рис. 8 из [Sugimura, Matsuda, 1965]).
Римские цифры – нумерация террас от молодых к древним, цифра и та же цифра со штрихом соответствуют одной террасе по разные стороны от разлома. Величина сдвига возрастает от молодых террас к древним примерно от 17 м (по тыловому шву террасы II) до 140±35 м (по тыловому шву террасы IX)

В-третьих, предполагаемый разлом должен логично «вписываться» в систему новейших структур района как элемент общего структурного рисунка. Здесь имеется в виду, что любой активный разлом – структура относительно долгоживущая, в пределе – неотектоническая. Существует абсолютно верное утверждение, авторство которого до сих пор остается невыясненным (возможно, это «народная мудрость»), гласящее, что любой активный разлом – новейший, но не все новейшие разломы – активные.

Перечисленные признаки выраженности активных разломов в рельефе коренным образом отличают его от образований, называемых линеаментами. Последние не смещают поверхность, образуют регулярные системы (ортогональные и диагональные), количество их, как правило, растет с увеличением масштаба анализируемого материала, отображающего земную поверхность. По образному выражению В.И. Макарова «…не является случайным столь значительное отличие … пластичных рисунков сетей реальных разломов от геометризованных, в основном, прямолинейных линеаментов.» [Макаров, 2008].

Методы изучения активных разломов

Основной метод изучения активных разломов – геолого-геоморфологический. Молодые отложения распространены не везде, а там, где они есть, необходимы обнажения. В значительной степени, нерегулярность и редкость естественных обнажений восполняет тренчинг, по сути – создание искусственных обнажений.

Кинематический анализ смещенных форм рельефа применим практически повсюду. Его использование обеспечивает определение, с высокой точностью, основных параметров активных разломов – кинематики движений (направления смещений), их величины и соотношения вертикальной и горизонтальной компонент, а также средних скоростей движений, когда смещаемые формы удается датировать.

Получение данных о повторяемости подвижек по разлому и возрасте последней из них в настоящее время, как правило, осуществляется при тренчинге - заложении канав через разломы и изучении деформированных движениями по разлому отложений. Канава, в этом случае, представляет искусственное обнажение, созданное там, где изучение разлома может оказаться наиболее результативным.

Методика палеосейсмологического анализа деформированных разломом отложений детально описана в упомянутых выше книгах под редакций МакКалпина [Paleoseismology, 1996, 2009] и др., в ряде частных статей, и потому не нуждается в подробном изложении. Следует только отметить, что она подразумевает использование по сути традиционных методов структурно-формационного анализа и фаций и мощностей, направленных на выявление и датирование земной поверхности прошлого (палеоповерхности), существовавшей на момент подвижки. В палеосейсмологических интерпретациях такую поверхность называют событийным горизонтом (event horizon, по [Pantosti et al., 1993]).

Специфику такого рода исследованиям придает то, что в канавах для наблюдения доступны плоскости разломов только в их приповерхностных (первые метры) частях. Эти подвижки нарушают современную земную поверхность, приводя в действие целый ряд экзогенных процессов, без знания и учета которых правильная интерпретация нарушенного разреза невозможна.

Интерпретация нарушенного подвижкой по разлому разреза может быть относительно простой, когда разрез несет следы только одной подвижки, или сложной и, бывает, неоднозначной, когда вскрытые отложения были деформированы не раз. В последнем случае может потребоваться проходка не одной, а двух или более канав, если цель исследования это оправдывает. Пример относительно простой структуры нарушенного разреза (одна подвижка) показан на рис. 11, более сложного (несколько подвижек) – на рис. 12.

Рис.11. Южная стенка канавы «Поперечная».
А – гипсометрический профиль через разломный уступ и положение канавы на нем: А1 – амплитуда видимого вертикального смещения земной поверхности, А2 – амплитуда вертикального смещения поверхности валунно-галечного горизонта; черные точечные линии показывают предполагаемые залегание горизонтов тефры и положение поверхности валунно-галечного горизонта в поднятом крыле за пределами канавы (см. текст);
Б – первичная зарисовка разреза. Горизонты тефры: КС1 –кальдерообразующее извержение в массиве Ксудач, IАв7 – влк.Авачинский, КС2 – кальдерообразующее извержение в массиве Ксудач, КО – извержение, связанное с образованием кальдеры Курильского озера; число справа – календарный возраст тефры. Цифры в кружках – выделенные горизонты и подгоризонты отложений (см. текст). 14С – место отбора пробы на радиоуглеродный анализ. Вертикальная и горизонтальная разметка через 1 м.
В – палеосейсмологическая интерпретация разреза: цифры в квадратах – отложения, накопившиеся до подвижки по разлому (1) и после подвижки (2); CW1 и CW2 – нижняя грубая и верхняя тонкая составляющие коллювиального клина; пунктирная линия показывает положение в разрезе событийного горизонта (в поднятом крыле – примерное), точечная – эрозионной поверхности.


Рис.12. Канава Б. Хапица.
А – общие параметры канавы и разреза: точечная линия – поверхность террасы, пунктирные – аппроксимация поверхности террасы и валунно-галечного слоя, величины в метрах – амплитуды вертикального смещения поверхности валунно-галечного слоя и земной поверхности, квадратной скобкой под основанием уступа показано положения приразломной депрессии; латинские буквы и величины в градусах – окончания фрагментов поверхности валунно-галечного слоя и их наклон.
Б – зарисовка разреза (юго-западная стенка канавы): серая заливка – валунно-галечные отложения основания почвенно-пирокластического чехла (показаны также отдельные валуны), слои выше – отдельные прослои тефры (Ш – вулкана Шивелуч, КС – вулкана Ксудач, ГА – вулкана Гамчен, КЛ – вулкана Ключевская, КЗ – вулкана Кизимен, чп – тонкий прослой черной тефры; цифры – радиоуглеродный возраст, в годах до н.в.).
В – интерпретация разреза: цифры в кружках – нумерация подвижек (от древних к молодым): 1 – ~ 10.5 тыс. л.н., 2 – ~ 6 тыс. л.н., 3 – ~ 4.5 тыс. л.н., 4 и 5 – в интервале ~ 1.2-1.3 тыс. л.н.; Н2 и Н3 – поверхности несогласий (цифры соответствуют нумерации подвижек); CW – коллювиальные клинья (цифры соответствуют нумерации подвижек). Следы подвижки 1 представлены фрагментами склона деградированного уступа в поверхности валунно-галечных отложений; ЗР и ВР – западная и восточная разломные плоскости.

Импульсность сдвиговых перемещений по активному разлому может быть выявлена не только при анализе нарушенного разреза, но и чисто геоморфологическими наблюдениями и измерениями, например, и по дискретности амплитуд горизонтальных смещений форм рельефа в рассматриваемом сегменте разлома [30, 69]. Метод основан на предположении, что водотоки, пересекающие разлом, формируются и эволюционируют непрерывно. Если по разлому происходили непрерывные сдвиговые перемещения, на гистограмме соотношения амплитуда смещения / количество смещенных водотоков будут представлены все амплитуды на фоне убывания больших амплитуд, накопившихся за длительное время. Если движения по разлому происходили в виде сильных сейсмических импульсов, разделенных эпохами полного или относительного тектонического покоя, на гистограмме будут представлены лишь некоторые амплитуды, соответствующие подвижкам при одном, двух, трех и т.д. землетрясениях, а промежуточные значения амплитуд будут редуцированы. Именно такой случай показан на рис. 3, относящемся к Хангайскому разлому в Северной Монголии [30].

Рис. 13. Гистограмма распределения амплитуд позднеголоценовых левосдвиговых смещений мелких форм рельефа на 15-километровом отрезке Хангайского разлома вдоль северного склона хр.Даган-Дэл, Северная Монголия (по оси абсцисс – амплитуды смещений в м, по оси ординат – количество смещенных форм) [30]

Максимум смещений 5–6 м характеризует подвижку при Болнайском землетрясении 23.07.1905 г. магнитудой M >8. Важно, что максимумы большей амплитуды, S представляющие результат сложения подвижек нескольких землетрясений, имеют значения 11±1; 16.5±1.5; 22±0.5; 28.5±1.5; 33±1; 40±1; 45±1 м, т.е. кратны смещению при Болнайском землетрясении. Вероятно, эти палеоземлетрясения имели близкие магнитуды.

Метод не дает возможности оценить возраст землетрясений. Для Хангайского разлома эта задача была решена изучением шурфов, вырытых в мелких впадинах pull-apart или ограниченных сбросами запрудных котловинах, возникших на участках искривления сдвига или кулисного подставления его ветвей. Появление в разрезах озерно-болотных фаций, отражающих моменты углубления впадин в результате сейсмогенной подвижки, и радиоуглеродное датирование этих фаций позволили определить возраст восьми сильных землетрясений за последние 4.5 тыс. лет [30]. Их повторяемость – ~600 лет.

В заключение следует отметить следующее. Исследование активной разломной тектоники имеет два аспекта.
Во-первых, как сейсмогенерирующие структуры, активные разломы представляют интерес для решения широкого спектра вопросов оценки сейсмического риска и обеспечения, таким образом, сейсмической безопасности в пределах территории, где они развиты. Для этого важны, прежде всего, сам факт существования активного разлома и его точное положение. Длина разлома и общая величина одноразовой подвижки позволяют оценить, с использованием эмпирических соотношений, примерную силу (магнитуду) землетрясения, которое будущая подвижка по разлому вызовет. Во-вторых, в параметрах движения по отдельным разрывам и их зонам (направление, средняя скорость движений), в образуемых отдельными разломами структурных рисунков прямо отражается характер (режим) деформирования какого-то объема земной коры.

И, наконец, стоит отметить общую особенность исследований, базирующихся на данных об активных разломах.
Изучая активные разломы, исследователь каждый раз имеет дело с тектоническими движениями одного определенного временного интервала, в общем – позднечетвертичного (примерно 100 тыс. лет). При этом модели, основанные на интерпретации получаемых данных, являются, по сути, феноменологическими. Естественным недостатком таких моделей и интерпретаций в применении к геологии как к науке исторической является отсутствие в них эволюционной «компоненты», выявление которой подразумевает восстановление истории развития какого-то определенного тектонического или геологического элемента, одной из частей единого геологического пространства. С другой стороны, то, что все активные разломы по определению одновременны (в рамках позднечетвертичного времени), дает возможность сопоставлять и интерпретировать совместно структуры и их сочетания, располагающиеся на поверхности Земли нередко на значительных расстояниях и отражающих реальные процессы деформирования больших пространств земной коры. Создаваемые при этом модели важны также для понимания геодинамических ситуаций прошлого.