В результате комплексного обобщения большого массива данных о современных движениях земной поверхности, которые были получены на специально организованных геодинамических полигонах различного предназначения, удалось получить принципиально новые данные о современном геодинамическом состоянии недр. Так как эти полигоны, расположенные, как в сейсмоактивных, так и в асейсмичных областях, были оснащены идентичными системами измерений, то оказалось возможным проведение последовательного сопоставления основных характеристик деформационных процессов, полученных в таких различных (с традиционной геодинамической точки зрения) регионах.
В процессе сопоставительного анализа был обнаружен новый класс тектонических движений - современные суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности в зонах разломов. При этом наиболее парадоксальный и неожиданный результат заключается в том, что наибольшая интенсивность аномальных деформаций наблюдается в зонах разломов платформенных, слабосейсмичных регионов. Эти аномальные деформационные процессы высокоамплитудны (свыше 50мм в год или порядка 10-4 - 10-5 в год), короткопериодичны (от первых месяцев до первых лет), пространственно локализованы (от первых сотен метров до первых километров) и обладают пульсационной и/или знакопеременной направленностью.
Полученные эмпирические обобщения указывают на то, что в качестве источников СД аномалий должны выступать процессы, протекающие внутри самих зон разломов. Данное утверждение представляется справедливым, поскольку известные к настоящему времени модели глубинной геодинамики не способны объяснить наблюдающийся пространственно-временной спектр современных движений земной поверхности и особенно возникновение СД-аномалий в зонах платформенных разломов. В связи с этим, автором предложен новый механизм происхождения аномальных деформаций в зонах разломов. В рамках этого механизма формирования СД-процессов непосредственно не вызвано временным ходом регионального (внешнего по отношению к объему среды, контролируемому системой наблюдений) поля напряжений, а обусловлено изменениями параметров (модули жесткости, коэффициенты трения и т.д.) изначально нагруженной среды внутри самих разломных зон. Возникающие при этом СД-аномалии рассматриваются как параметрические т.к. согласно теории механических колебаний вывод любой системой из состояния равновесия (возбуждение системы) возможен двумя путями: либо за счет внешнего, силового воздействия, либо за счет изменения внутренних параметров самой системы. В целом, физическая природа возникновения параметрических деформаций представляется следующим образом. Геологическая среда находится в обстановке внешних и внутренних (эндогенные и экзогенные), квазистатических (глобальные и региональные поля напряжений) и динамических (приливы, неравномерности вращения Земли, процессы подготовки землетрясений, сейсмические волны, техногенные процессы и т.д.) нагрузок. Кроме того, в разломных зонах, особенно осадочных бассейнов, постоянно присутствует и перераспределяется динамически активная и химически агрессивная флюидная система.
Взаимодействие и кооперативное влияние всех этих факторов реализуется в первую очередь в условиях повышенной концентрации дефектов среды, т.е. в зонах разломов с неустойчивыми механическими характеристиками, посредством кратковременных флуктуаций жесткостных характеристик горных пород в локальных объемах, что и приводит к возникновению СД-процессов.
Проведенные исследования показали, что СД-аномалии возникают, как правило, под влиянием малых воздействий. Так, например, выявлено возбуждение СД-процессов выпадением атмосферных осадков, возникновение деформаций на уровне 10-5 зоне разлома, которые обусловлены подготовкой землетрясения, произошедшего за 100 км от пунктов наблюдений, инициирование аномальных деформаций слабой сейсмичностью и т.д.
Таким образом, обнаруженные СД-процессы в зонах разломов представляют собой новый класс тектонических движений - современные параметрически индуцированные движения земной поверхности в зонах разломов.
Построенные в рамках данного подхода аналитические и численные модели, связывающие характеристики СД, наблюдаемые на земной поверхности, с параметрами источников на глубине, позволили оценить распределение аномальных напряжений и деформаций по глубине и определять местоположение источников аномалий (областей повышенной трещиноватости) внутри разломных зон. На основе разработанной технологии решения обратных задач современной геодинамики разломов, были определены диапазоны глубин, размеры, форма и степень разупрочнения областей формирования СД-аномалий. Совместный анализ этих результатов с геодинамической и геолого-геофизической обстановкой исследуемых регионов показал, что источники СД-процессов залегают в диапазоне глубин от первых десятков метров до первых километров, имеют (в сечении) форму длинных (0,05км - 0,5км), вертикально ориентированных прямоугольников, приуроченных к зонам залегания флюидонасыщенных, трещиноватых известняков.
Оказалось, что для формирования аномальных деформаций земной поверхности на уровне 10-4 - 10-5 необходимо относительное изменение объемного модуля упругости в диапазоне от 1 - 3 до 10 - 30 процентов, при заданных на границе напряжениях от 10 МПа до 100 МПа.
Обнаружение СД-процессов в зонах разломов, разработка методов комплексной интерпретации наблюдений и диагностики современного напряженно-деформируемого состояния разломных зон позволили успешно поставить и решить целый ряд важных практических задач. Наиболее значимыми из них явились:
- выявлена устойчивая взаимосвязь между вариациями дебитов нефтяных скважин и СД-процессами. Показано, что СД-аномалии способны приводить к изменениям дебитов на уровне 10 - 30 процентов. На примере ряда месторождений показано, что пространственная приуроченность аварийных ситуаций на скважинах и трубопроводных системах к зонам разломов, находит свое естественное толкование в рамках представлений о наличии СД-процессов в этих зонах. Разработана методика районирования зон СД-опасности и выявления критических диапазонов глубин, в пределах которых происходят порывы или искривления стволов скважин различного технологического предназначения;
- разработана методика оценки СД-риска особо ответственных и экологически вредных объектов (АЭС и месторождения УВ), которая базируется на авторском определении риска, а именно: риск есть математическое ожидание ущерба. На примере аномальной деформируемости тоннелей Московского метрополитена показа необходимость обязательного учета СД-риска в мегаполисах и в целом при строительстве гражданских и промышленных объектов;
- обнаруженное явление СД-процессов в зонах платформенных разломов коренным образом меняет представление об уровне экологического риска, так как именно платформенные регионы являются преимущественной средой обитания человека. В этом случае возникает новый вид экологического риска - эколого-геодинамический риск. Показано, что СД-процессы определяют эколого-геодинамический риск в двух формах: прямом (выбросы токсичных флюидов из активизированных разломов) и косвенном (влияние СД на аварийность экологически опасных для человека и среды его обитания объектов). Обоснована необходимость учета эколого-геодинамического риска при решении такой глобальной экологической проблемы, как парниковый эффект. Проведенные результаты убедительно показывают, что современная геодинамика разломов и особенно ее наиболее экстремальное проявление в форме СД-процессов должна стать объектом пристального внимания во всех сферах человеческой деятельности. Необходим учет фактора СД в ведомственных нормативах, регламентирующих безопасное функционирование особо ответственных и экологически опасных объектов (АЭС, ГЭС, магистральные нефтегазопроводы, крупные месторождения УВ и их инфраструктура, объекты захоронения радиоактивных и токсичных отходов и т.д.). Для совершенствования мер по социальной защите населения от СД-опасности, необходима разработка новых подходов и норм по страхованию СД-рисков. Все это, несомненно, должно найти отражение в изменениях и дополнениях к существующему законодательству в части, касающейся учета СД-опасности.
Все вышеизложенное диктует необходимость тщательной диагностики уровня и масштабов СД-опасности и СД-риска. При этом необходимо иметь в виду следующее. Постоянное техногенное нагружение земных недр, в совокупности с действующими природными процессами, создает в зонах разломов области существенной неустойчивости естественного режима деформирования геосреды. Хорошо известно, что в неустойчивых системах принципиально меняются представления о характере причинно-следственных связей. Если в устойчивых системах меры причин и следствий всегда одного порядка, то в неустойчивых, существенно нелинейных системах, малые причины приводят к весьма большим последствиям. В этих системах причиной явлений следует считать саму неустойчивость. В такой ситуации необходима очень продуманная система диагностики участков земной поверхности с неустойчивыми деформационными характеристиками (СД-районирование). Для этого необходима последовательная реализация трех взаимоувязанных процедур:
- детального, метрологически обеспеченного мониторинга СД-процессов;
- комплексной, многовариантной интерпретации результатов наблюдений и селекции различных сценариев возможного негативного развития событий (оценка СД-опасности);
- определения уровня СД-риска, прогнозирования экологических и социально-экономических последствий и выработка стратегий превентивных мероприятий.
По мнению автора, именно сегодня, на рубеже веков и тысячелетий, укореняется ощущение, что вся жизнь на Земле есть единое целое, что локальные изменения в одном месте способны создать угрозу всему остальному миру, и что мы ответственны за порядок жизни на нашей планете. На этом пути открывается возможность вникнуть в ту поначалу отпугивающую даль, куда зовёт естествознание и техника, не только умом, но и сердцем. Именно об этом говорит Маленький Принц, который в заботе о нашей планете восклицает: "По настоящему можно видеть только сердцем, главное невидимо для глаз!" Только в этом случае возможно гармоничное сосуществование Природы и Человека. Только в этом видится автору основная стратегия рационального природопользования.