Variations of Structural and Physical-Mechanical Properties of a Tectonic Fault in the Near-Surface Zone

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Tectonic faults are characterized by a heterogeneous structure, which determines the spatial variation of their sliding regimes from aseismic creep and slow sliding events to dynamic failures, which are the foci of earthquakes of various magnitudes. In this paper, based on a comprehensive analysis of geological and geophysical information the features of localization of deformations and sliding regimes along the 160-kilometer section of the collision suture of the Siberian craton and the Olkhon terrane from the Buguldeika village to the Kurma village are studied. The width of the zone of the most intense deformations within the suture varies in its different segments from 100 to 500 m, while its estimates based on electrical tomographic measurements and petrographic studies of rock samples selected from exhumed areas are comparable. Analysis of the material composition and friction behavior of the selected rock samples showed that the fault segments with the narrowest core are composed of rocks with the property of velocity-weakening and are nucleation zones for foci of strong earthquakes. The typical size of such segments is about 10 km, the distance between them is about 60 km. Also, along the fault there are segments with a width of hundreds of meters, composed of rocks with the property of velocity-strengthening, on which the accumulated stresses are weakened through slow slips and aseismic creep.

About the authors

G. A. Gridin

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology

Author for correspondence.
Email: gagridin@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Dolgoprudny

A. A. Ostapchuk

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology

Email: gagridin@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Dolgoprudny

A. V. Grigor’eva

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences; Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy and Geochemistry of Russian Academy of Sciences

Email: gagridin@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Moscow

D. V. Pavlov

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences

Email: gagridin@gmail.com
Russian Federation, Moscow

A. V. Cheremnykh

Institute of the Earth’s Crust of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: gagridin@gmail.com
Russian Federation, Irkutsk

A. A. Bobrov

Institute of the Earth’s Crust of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: gagridin@gmail.com
Russian Federation, Irkutsk

I. K. Dekabryov

Institute of the Earth’s Crust of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: gagridin@gmail.com
Russian Federation, Irkutsk

References

  1. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука. 1975. 536 с.
  2. Григорьева А.В., Козловский В.М., Гридин Г.А., Остапчук А.А. Метаморфические преобразования пород в центральной зоне Приморского разлома (Западное Прибайкалье) // Докл. РАН. Науки о Земле. 2023. T. 511. № 2. С. 198–205. doi: 10.31857/S2686739723600807
  3. Гридин Г.А., Григорьева А.В., Остапчук А.А., Черемных А.В., Бобров А.А. О структурно-вещественной неоднородности зон локализации тектонических нарушений // Динамические процессы в геосферах. 2023. Т. 15. № 1. С. 11–22. doi: 10.26006/29490995_2023_15_1_11
  4. Гридин Г.А., Кочарян Г.Г., Морозова К.Г., Новикова Е.В., Остапчук А.А., Павлов Д.В. Развитие процесса скольжения по гетерогенному разлому. Крупномасштабный лабораторный эксперимент // Физика Земли. 2023. № 3. С. 139–147. doi: 10.31857/S0002333723030043
  5. Гридин Г.А., Остапчук А.А. Закономерности инициирования динамических подвижек по разломам, содержащих контактные пятна. Лабораторный эксперимент // Динамические процессы в геосферах. 2023. Т. 15. № 4. С. 15–24. doi: 10.26006/29490995_2023_15_4_15
  6. Кочарян Г.Г. Возникновение и развитие процессов скольжения в зонах континентальных разломов под действием природных и техногенных факторов. Обзор современного состояния вопроса // Физика Земли. 2021. № 4. С. 3–41. doi: 10.31857/S0002333721040062
  7. Кочарян Г.Г., Беседина А.Н., Гридин Г.А., Морозова К.Г., Остапчук А.А. Трение как фактор, определяющий излучательную эффективность подвижек по разломам и возможность их инициирования. Состояние вопроса // Физика Земли. 2023. № 3. С. 3–32. doi: 10.31857/S0002333723030067
  8. Летников Ф.А., Савельева В.Б., Гореванов Д.Е. Метаморфизм и метасоматоз в зонах глубинных разломов континентальной литосферы // Геотектоника. 1996. № 5. С. 15–26.
  9. Летников Ф.А., Савельева В.Б., Заири Н.М. Эндогенные процессы и графитовая минерализация в Чернорудско-Баракчинской тектонической зоне (Западное Прибайкалье) // Геология и геофизика. 1997. Т. 38. № 3. С. 661–666.
  10. Лобацкая P.M. Зоны динамического влияния разломов по анализу сопутствующих разрывов // Геология и геофизика. 1983. № 6. С. 53–61.
  11. Лунина О.В., Гладков А.С., Черемных А.В. Разрывная структура и трещиноватость зоны Приморского разлома (Байкальская рифтовая система) // Геология и геофизика. 2002. Т. 43. № 5. С. 446–455.
  12. Макрыгина В.А. Специфика каледонских коллизионных событий в Ольхонском регионе Прибайкалья // Геология и геофизика. 2021. Т. 62. № 4. С. 483–497. doi: 10.15372/GiG2019188
  13. Макрыгина В.А., Толмачева Е.В., Лепехина Е.Н. История кристаллизации палеозойских гранитоидов по цирконам (SHRIMP-II), Ольхонский регион, озеро Байкал // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 1. С. 41–55.
  14. Морозов Ю.А., Смульская А.И., Кулаковский А.Л., Матвеев М.А. Структурно-вещественные записи палеоземлетрясений в терригенных породах: анализ и интерпретация // Физика Земли. 2018. № 1. С. 3–25.
  15. Обухов С.П., Ружич В.В. Структура и положение Приморского сбросо-сдвига в системе главного разлома Западного Прибайкалья. Геология и полезные ископаемые Восточной Сибири. Иркутск. 1971. С. 65–68.
  16. Ружич В.В. Зависимости между параметрами разрывных нарушений и их практическое применение. Механизмы формирования тектонических структур Восточной Сибири. Новосибирск: Наука. 1977. С. 41–48.
  17. Ружич В.В., Кочарян Г.Г., Савельева В.Б., Травин А.В. О формировании очагов землетрясений в разломах на приповерхностном и глубинном уровне земной коры. Часть II. Глубинный уровень // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 3. С. 1039–1061. doi: 10.5800/GT-2018-9-3-0383
  18. Свидетельство о регистрации базы данных RU 2023621889 Российская Федерация. Цифровой каталог образцов горных пород Приморского разлома / Г.А. Гридин, А.А. Остапчук, Д.В. Павлов, А.В. Григорьева, С.А. Устинов (RU); правообладатель ИДГ РАН — № 2023621610 ; заявл. 01.06.2023; опубл. 07.06.2023.
  19. Смекалин О.П., Чипизубов А.В., Имаев В.С. Палеоземлетрясения Прибайкалья: методы и результаты датирования // Геодинамика и тектонофизика. 2010. Т. 1. № 1. С. 55–74. doi: 10.5800/GT-2010-1-1-0006
  20. Федоровский В.С. Геологическая карта юго-западной части Ольхонского региона. М.: ГИН РАН, ГГМ им. В.И. Вернадского РАН. 2004.
  21. Федоровский В.С., Владимиров А.Г., Хаин Е.В., Каргополов С.А., Гибшер А.С., Изох А.Э. Тектоника, метаморфизм и магматизм коллизионных зон каледонид Центральной Азии // Геотектоника. 1995. № 3. С. 3–22.
  22. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. 1977. 102 с.
  23. Шерман C.И., Борняков C.A., Буддо B.Ю. Области динамического влияния разломов. Новосибирск.: Наука. 1983. 112 c.
  24. Byerlee J. Friction of rocks // Pure Appl. Geophys. 1978. V. 116. P. 615–626. doi: 10.1007/bf00876528
  25. Boulton C., Carpenter B.M., Toy V., Marone C. Physical properties of surface outcrop cataclastic fault rocks, Alpine Fault, New Zealand // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2012. V 13. № 1. doi: 10.1029/2011GC003872
  26. Cheremnykh A.V., Burzunova Yu.P., Dekabryov I.K. Hierarchic features of stress field in the Baikal region: Case study of the Buguldeika Fault Junction // Journal of Geodynamics. 2020. V. 141–142. doi: 10.1016/j.jog.2020.101797
  27. Chester F.M., Chester J. S., Kirschner D. L., Schulz S. E., Evans J. P. 8. Structure of Large-Displacement, Strike-Slip Fault Zones in the Brittle Continental Crust. Rheology and Deformation of the Lithosphere at Continental Margins / Karner G.D., Taylor B., Driscoll N.W., Kohlstedt D.L. (eds.). Columbia: University press. 2004. P. 223–260. doi: 10.7312/karn12738-009
  28. Chlieh M., Mothes P.A., Nocquet J.-M., et al. Distribution of discrete seismic asperities and aseismic slip along the Ecuadorian megathrust // Earth and Planetary Science Letters. 2014. V. 400. P. 292–301. doi: 10.1016/j.epsl.2014.05.027
  29. Collettini C., Niemeijer A., Viti C., Marone C. Fault zone fabric and fault weakness // Nature. 2009. V. 462. P. 907–910. doi: 10.1038/nature08585
  30. Collettini C., Tesei T., Scuderi M.M., Carpenter B.M., Viti C. Beyond Byerlee Friction, Weak Faults and Implications for Slip Behavior // Earth Planet. Sci. Lett. 2019. V. 519. P. 245–263. doi: 10.1016/j.epsl.2019.05.011
  31. Deiterich J.H. Modeling of rock friction. 1. Experimental results and constitutive equations // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. № B5. P. 2161–2168.
  32. Fagereng A., Sibson R.H. Melange rheology and seismic style // Geology. 2010. № 38. P. 751–754. doi: 10.1130/G30868.1
  33. Hickman S.H., Zoback M.D, Ellsworth W.L., Boness N.L., Malin P.E., Roecker S.W., Thurber C.H. Structure and Properties of the San Andreas Fault in Central California: Recent Results from the SAFOD Experiment // Scientific Drilling. 2007. № 1. P. 29–32. doi: 10.2204/iodp.sd.s01.39.2007
  34. Ikari M.J., Marone C., Saffer D.M. On the relation between strength and frictional stability // Geology. 2011. V. 39. № 1. P. 83–86. doi: 10.1130/G31416.1
  35. Kocharyan G.G., Ostapchuk A.A., Pavlov D.V. Fault Sliding Modes — Governing, Evolution and Transformation. Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems / Ostermeyer G.P., Popov V.L., Shilko E.V., Vasiljeva O.S. (eds.). Cham.: Springer. 2021. P. 323–358. doi: 10.1007/978-3-030-60124-9_15
  36. Lee S.‐J., Huang B.‐S., Ando M., Chiu H.‐C., Wang J.‐H. Evidence of large scale repeating slip during the 2011 Tohoku‐Oki earthquake // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. № 19306. DOI :10.1029/2011GL049580
  37. Li Y.-G., Vidale J., Aki K., Xu F. Depth-dependent structure of the Landers fault zone from trapped waves generated by aftershocks // Journal of Geophysical Research. 2000. V. 105. P. 6237–6254. doi: 10.1029/1999JB900449
  38. Loke M.H., Barker R.D. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method // Geophysical Prospecting. 1996. V. 44. P. 131–152.
  39. Mats V.D., Lobatskaya R.M., Khlystov O.M. Evolution of faults in continental rift: morphotectonic evidence from the south-western termination of the North Baikal basin // Earth Sci. Front. 2007. V. 14. № 1. P. 207–219. doi: 10.1016/S1872-5791(07)60009-8
  40. Ostermeijer G., Mitchel T., Aben F., Dorsey M.T., Browning J., Rockwell T.K., Fletcher J., Ostermeijer F. Damage zone heterogeneity on seismogenic faults in crystalline rock; a field study of the Borrego Fault, Baja California // Journal of Structural Geology. 2020. V. 137. P. 1–20. doi: 10.1016/j.jsg.2020.104016
  41. Ostapchuk A.A., Pavlov D.V., Ruzhich V.V., Gubanova A.E. Seismic-Acoustics of a Block Sliding Along a Fault // Pure Appl. Geophys. 2020. V. 177. P. 2641–2651. doi: 10.1007/s00024-019-02375-1
  42. Ostapchuk A.A., Polyatykin V., Popov M., Kocharyan G.G. Seismogenic Patches in a Tectonic Fault Interface // Frontiers in Earth Science. 2022. V. 10. №. 904814 doi: 10.3389/feart.2022.904814
  43. Reed J.J. Mylonites, Cataclasites, and Associated Rocks Along the Alpine Fault, South Island, New Zealand // New Zealand Journal of Geology and Geophysics. 1964. V. 7. № 4. P. 645–684. doi: 10.1080/00288306.1964.10428124
  44. Ruina A. Slip instability and state variable friction laws // J. Geophys. Res. 1983. V. 88. № 6. P.1172–1175.
  45. Sasaki Y. Resolution of resistivity tomography inferred from numerical simulation // Geophysical Prospecting. 1992. V. 40. P. 453–463. doi: 10.1111/j.1365-2478.1992.tb00536.x
  46. Scholz C.H., Engelder J.T. The role, of asperity indentation and ploughing in rock friction: I. Asperity creep and stick-slip // Int. J. Rock Mech. Men. and Geomech. 1976. № 13. P. 149–154.
  47. Sibson R.H. Fault rocks and fault mechanisms // Journal of the Geological Society. 1977. V. 133. P. 191–213. doi: 10.1144/gsjgs.133.3.0191
  48. Sibson R.H. Thickness of the Seismic Slip Zone // Bulletin of the Seismological Society of America. 2003. V. 93. № 3. P. 1169–1178. doi: 10.1785/0120020061
  49. Townend J., Sutherland R., Toy V. Deep Fault Drilling Project—Alpine Fault, New Zealand // Scientific Drilling. 2009. № 8. doi: 10.2204/iodp.sd.8.12.2009
  50. Trefethen L.N. Numerical computation of the schwarz–christoffel transformation // SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing. 1980. V. 1. № 1. P. 82–102. doi: 10.1137/0901004
  51. Valtr V.,Hanžl P. Geophysical cross-section through the Bogd fault system in the area of the Chandman rupture, SW Mongolia // Journal of Geosciences. 2008. V. 53. DOI :10.3190/jgeosci.023
  52. Volpe G., Pozzi G., Collettini C. Y-B-P-R or S-C-C’? Suggestion for the nomenclature of experimental brittle fault fabric in phyllosilicate-granular mixtures // Journal of Structural Geology. 2022. V. 165. № 104743. doi: 10.1016/j.jsg.2022.104743
  53. Wang H., Li H., Si J., Sun Z., Huang Y. Internal structure of the Wenchuan earthquake fault zone, revealed by surface outcrop and WFSD-1 drilling core investigation // Tectonophysics. 2014. V. 619–620. P. 101–114. doi: 10.1016/j.tecto.2013.08.029

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».