Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование постсейсмических деформаций, сопровождающих сильные землетрясения

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Исследование постсейсмических деформаций, сопровождающих сильные землетрясения"

На правах рукописи

ВЛАДИМИРОВА Ирина Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСТСЕЙСМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ СИЛЬНЫЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

2 3 СгН ?л г

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2015

005562420

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им О.Ю. Шмидта Российской академии наук.

Научный руководитель: Стеблов Григорий Михайлович,

доктор физико-математических наук,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук,

главный научный сотрудник лаборатории спутниковых методов изучения геофизических процессов

Официальные оппоненты: Лобковский Леопольд Исаевич,

член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институ т океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук,

заместитель директора по геологическому направлению, заведующий лабораторией сейсмологии и геодинамики

Тимофеев Владимир Юрьевич,

доктор физико-математических наук,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институ т нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии нау к,

заведующий лабораторией физических проблем геофизики

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Геофизический центр Российской академии наук

Защита состоится 05 ноября 2015 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 002.001.01 при ИФЗ РАН по адресу: 123242, г.Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН и на сайте www.ifz.ru. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на сайте института www.ifz.ru.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в 2-х экземплярах, просьба направлять по адресу: 123242, г.Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр.1, ИФЗ РАН, ученому секретарю диссертационного совета Владимиру Анатольевичу Камзолкину.

Автореферат разослан « ^»CMjMpA 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ___

кандидат геолого-минералогических наук В.А. Камзолкин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Деформации земной поверхности, сопровождающие сильнейшие землетрясения, обусловлены действием физических процессов различной природы, крайне различающихся как по интенсивности, так и по пространственным и временным масштабам. В общем случае, по времени действия эти деформации подразделяются на косейсмические, происходящие непосредственно в момент землетрясения, и постсеймические, длящиеся месяцы и годы после сейсмического события. Если косейсмические деформации могут наблюдаться как сейсмологическими, так и геодезическими методами, то прямое наблюдение постсейсмических деформаций, в силу их асейсмического характера, возможно только посредством геодезических методов. Впервые постсейсмические смещения земной поверхности были зарегистрированы после Паркфилдского землетрясения 27 июня 1966 г. Ms = 62, а интенсивность аномальных движений была измерена средствами региональной геодезической сети.

Начиная с 80-х годов XX века, для решения широкого круга задач геофизики стали активно применяться данные Глобальной Системы Позиционирования (Global Positioning System - GPS). В настоящее время данные GPS-наблюдений широко используются для изучения кинематики литосферных плит и деформаций на их границах; сейсмических и постсейсмических деформаций, вызванных землетрясениями; пространственно-временных вариаций деформационных полей вблизи активных разломов и действующих вулканов, а также в ряде других прикладных геофизических исследований.

Развертывание сетей станций непрерывных GPS-наблюдений в тектонически активных регионах позволяет вести прямую регистрацию деформаций земной поверхности с очень высокой точностью. Использование таких геодезических данных делает возможным отделение переходных процессов от стационарных (например, таких, как перманентное тектоническое нагружение вблизи границ взаимодействующих литосферных плит), прогнозирование изменений в напряженно-деформированном состоянии исследуемого региона или определение реологических свойств среды в исследуемой области.

Постсейсмические деформации были выявлены для большинства сильнейших землетрясений, произошедших за последние два десятилетия активных спутниково-

геодезических наблюдений в различных сейсмоактивных регионах: Японо-Курило-Камчатская островная дуга (Кроноцкое 1997 г., Симуширские 2006-2007 гг., Тохоку 2011г.), Суматра-Андаманская субдукционная зона (Суматринское 2004 г.), Чилийская зона субдукции (Мауле 2010 г.). Характерной общей чертой всех перечисленных событий является схожий механизм межплитового субдукционного пологого надвига.

Помимо получения информации о глубинном строении подобных регионов, изучение и моделирование постсейсмических процессов в них необходимо для корректного сопоставления накопленного деформационного потенциала с сейсмической энергией, выделившейся во время землетрясения. Более того, моделирование постсейсмических процессов необходимо для корректного прогнозирования интенсивности дальнейшего накопления деформационного потенциала, так как модели упругого деформирования перед землетрясением становятся неприменимы в последующий период продолжительностью до 2-3 десятилетий, в течение которого наблюдаемые смещения земной поверхности существенно изменяют направление и величину.

Среди разнообразных механизмов, объясняющих аномальные постсейсмические движения, как правило, предполагаются: выравнивание порового давления во вмещающих разрыв флюидонасыщенных породах, фрикционное асейсмическое развитие сейсморазрыва и вязкоупругая релаксация в астеносфере и верхней мантии. Вопрос о том, какой из механизмов реализуется после каждого конкретного сейсмического события, остается до сих пор неразрешенным. Наиболее вероятным представляется сочетание всех указанных процессов в разной степени, при этом преобладание того или иного из них меняется со временем и зависит от расстояния до очага. Большинство работ, посвященных исследованию постсейсмических деформаций земной поверхности, как правило, сфокусировано только на одном из трех упомянутых механизмов. Однако для наиболее полного понимания динамики постсейсмических процессов требуется совокупный анализ относительного вклада каждого из механизмов в наблюдаемые постсейсмические деформации. В данной диссертационной работе предложен подход к комплексному исследованию постсейсмических деформаций земной поверхности, сопровождающих сильнейшие землетрясения.

Целью данной работы является исследование переходных постсейсмических процессов, сопровождающих сильнейшие землетрясения, на основе данных космической геодезии и выявление физических механизмов, лежащих в основе наблюдаемых явлений.

Для достижения поставленной цели в процессе выполнения диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Произвести корректную выборку и обработку исходных геодезических данных, что необходимо для осуществления мониторинга развития наблюдаемых постсейсмических процессов во времени и пространстве в течение нескольких лет после сейсмического события.

2. Установить критерии условной дифференциации наблюдаемых постсейсмических процессов для обеспечения возможности моделирования каждого из них в отдельности.

3. Сделать обоснованный выбор физических моделей и произвести адекватное моделирование переходных постсейсмических движений, сопровождающих землетрясения.

4. Для построения более точной модели вязкоупругой релаксации получить прямую оценку вязкости астеносферы в исследуемом регионе, что позволит построить эффективное распределение подвижки в очаге землетрясения, проявляющееся в постсейсмических деформациях.

5. Проанализировать применимость полуденных в работе результатов для решения актуальных задач геофизики, таких как: уточнение региональных реологических параметров среды и прогнозирование интенсивности дальнейшего накопления деформационного потенциала в исследуемом регионе.

Научная новизна. В настоящей диссертационной работе разработан подход к построению эффективного распределения подвижки в очаге землетрясения, проявляющегося в постсейсмических смещениях земной поверхности, с одновременным уточнением реологических параметров среды, что позволяет получить сведения о параметрах очага землетрясения в отсутствие измерений непосредственно в момент сейсмического события.

Выявлено расхождение между распределениями подвижки в очаге землетрясения, построенными с использованием данных о сейсмических и постсейсмических смещениях земной поверхности, а также дано возможное объяснение наблюдаемому расхождению - расширение исходной сейсмической дислокации вследствие процесса фрикционного асейсмического развития очага землетрясения в первые месяцы после события.

На основании полученного распределения эффективной подвижки в очаге построен прогноз времени затухания наблюдаемых постсейсмических эффектов, что позволяет оценить время перехода сейсмогенной зоны в стационарное состояние накопления упругого напряжения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Многолетние постсейсмические деформации литосферы, наблюдаемые по данным спутниковой геодезии после сильнейших субдукционных землетрясений, согласуются с моделью вязкоупругой релаксации в астеносфере.

2. Моделирование наблюдаемых постсейсмических смещений в средней части Курильской островной дуги и в центральной части Чилийской зоны субдукции свидетельствует о пониженной вязкости астеносферы в этих регионах по сравнению с ее средним значением по Земле в целом.

3. Выявленное отличие модели распределенной подвижки в очаге сильнейшего землетрясения, построенной по сейсмическим смещениям, от модели, определяющей постсейсмические смещения, может быть вызвано распространением исходного сейсморазрыва в ходе его фрикционного асейсмического развития в первые месяцы после землетрясения.

4. Построенные модели вязкоупругих деформаций в астеносфере, сопровождающих Симуширские землетрясения 2006-2007 гг. и землетрясение Мауле 2010 г., прогнозируют продолжительный (не менее 10-20 лет) период затухания аномальных смещений на фоне упругих межсейсмических деформаций.

Практическая значимость. Поскольку спутниковые геодезические наблюдения постсейсмических смещений, сопровождающих сильнейшие землетрясения, являются наиболее непосредственным источником данных о

реологических свойствах среды, представленная методика прямого оценивания региональной вязкости астеносферы может быть использована для получения аналогичных оценок в сейсмоактивных регионах, где развернуты сети спутниково-геодезических наблюдений достаточной плотности и широты охвата.

Предложенная в диссертации методология интерпретации наблюдаемых постсейсмических процессов основана на прямом оценивании вязкости астеносферы и принципиальной возможности построения эффективного распределения подвижки в очаге по постсейсмическим деформациям. Результат таких оценок и построений позволяет прогнозировать интенсивность затухания вязкоупругих напряжений в астеносфере. Учет соответствующих аномалий движений в качестве поправок необходим при анализе межсейсмических деформаций для корректного оценивания накапливающегося упругого сейсмогенного потенциала.

И наконец, немаловажное практическое значение использования данных о постсейсмических смещениях земной поверхности состоит в возможности оценивания распределения сейсмической подвижки в очаге, даже в отсутствие измерений сейсмических смещений непосредственно во время землетрясений.

Достоверность представленных в диссертации результатов обеспечивается обоснованностью выборки и корректностью первичной обработки исходных экспериментальных данных, а также выбором адекватных математических моделей исследуемых процессов. Надежность выполненных расчетов обеспечивается устойчивостью численных методов, используемых при решении поставленных задач, и проверкой решений на внутреннюю сходимость. Помимо этого, достоверность полученных конечных данных (оценок максвелловской вязкости астеносферы и эффективных распределений подвижек по разрыву) подтверждается результатами их сопоставления с аналогичными оценками, определенными с помощью других методик.

Личный вклад. Основные результаты, полученные лично диссертантом в ходе выполнения работы, включают:

1. Обзор ранее проведенных исследований по тематике диссертации с последующей формулировкой основных задач, выполнение которых необходимо для достижения цели работы.

2. Подбор, подготовка и обработка исходных геодезических данных.

3. Выбор математических моделей исследуемых процессов и создание программных алгоритмов для реализации поставленных задач и промежуточного анализа результатов.

4. Выполнение соответствующих численных расчетов и графическое представление окончательных результатов.

Анализ полученных результатов и формулировка основных выводов проводились совместно с научным руководителем —д.ф.-м.н. Г.М. Стебловым.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на семинарах в ГС РАН, а также на ряде международных и всероссийских конференций, в том числе: AGU Fall Meeting (Сан-Франциско, США, 2009, 2011, 2012); Одиннадцатой Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2010); Восьмой международной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Санкт-Петербург, 2010); Второй молодежной тектонофизической школе-семинаре в ИФЗ РАН (Москва, 2011); Третьей тектонофизической конференции в ИФЗ РАН "Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле" (Москва, 2012); Second European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (Стамбул, Турция, 2014). Работа была частично поддержана грантами РФФИ 08-05-12028-офи и 11-05-00871-а.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 15 печатных изданиях, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 175 страниц машинописного текста (без приложений), включая 60 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 180 библиографических наименований.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.ф.-м.н. Г.М. Стеблову за неоценимую помощь на всех этапах выполнения работы; д.ф.-м.н. М.Г. Когану за помощь и консультации в вопросах GPS-технологии; д.ф.-м.н. Ю.Л. Ребецкому, д.ф.-м.н. Ю.О. Кузьмину, д.ф.-м.н. Ш.А. Мухамедиеву, д.ф.-м.н. И.А. Гарагашу, к.ф.-м.н. О.Н. Галаганову за внимательное отношение к работе и ценные советы по ее дополнению.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулированы цель и основные задачи работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается понятие сейсмического цикла, причем особое внимание уделяется его постсейсмической фазе. Кроме того, приводится краткий исторический очерк развития в геофизике представлений о реологических свойствах земных недр. Вторая часть главы посвящена обзору методов определения вязкости астеносферы и верхней мантии.

Непрерывный мониторинг деформационных процессов во многих сейсмоактивных регионах показывает, что постсейсмические движения, сопровождающие сильные землетрясения, могут достигать значительной интенсивности, сравнимой с самим землетрясением по величине выделившегося скалярного момента. Таким образом, постсейсмическая релаксация, являющаяся развивающимся во времени процессом, приводящим сейсмогенную зону к практически стационарному состоянию, составляет крайне важный этап сейсмического цикла. Задача разработки комплексного подхода к исследованию постсейсмических деформаций осложняется, в первую очередь, отсутствием четких критериев дифференциации наблюдаемых процессов. Отдельной сложностью при интерпретации постсейсмических деформаций .является существенная зависимость проявлений самого продолжительного и зачастую самого интенсивного из упомянутых процессов - вязкоупругой релаксации в астеносфере от реологических параметров среды.

Вязкость земных недр на сегодняшний день является одним из самых малоизученных вопросов геофизики, но в то же время занимает одно из центральных мест в науках о Земле. В разное время были сделаны попытки оценить распределение вязкости в Земле на основе гидродинамических моделей и совокупности различных геофизических данных, к которым можно отнести сведения, полученные из наблюдений за послеледниковыми поднятиями, аномалиями гравитационного поля Земли, затуханием сейсмических волн и собственных колебаний Земли, удлинением периода чандлеровского колебания, а

также на основе лабораторных исследований процесса деформирования горных пород, слагающих мантию и астеносферу.

Развертывание региональных сетей СР8-наблюдений предоставляет широкие возможности для изучения стационарных и переходных деформационных процессов, вызванных сейсмическими событиями, прогнозирования изменений в напряженно-деформированном состоянии региона и определения реологических свойств среды в исследуемой области.

Во второй главе описаны методы исследования постсейсмических деформаций, сопровождающих сильные землетрясения. Поскольку наблюдаемые постсейсмические смещения являются результатом действия нескольких процессов, в данной работе применяется комплексный подход, позволяющий учесть их суммарное влияние. Основное внимание уделено моделированию процессов вязкоупругой релаксации в астеносфере и фрикционного асейсмического развития сейсморазрыва, которые вносят наибольший по величине вклад в наблюдаемые постсейсмические деформации земной поверхности.

В общем случае косейсмические и постсейсмические деформации земной поверхности определяются сверткой функции отклика среды (функции Грина) с вектором подвижки по разрыву:

где и(г5, ) - вектор подвижки по разрыву в момент времени ^ в точке г, е 5, 5 -поверхность разрыва, С(г, - функция Грина, Щг, г,, Л ) -

результирующее смещение в момент времени t в точке г. Для моделирования постсейсмических смещений, вызванных процессом вязкоупругой релаксации в астеносфере, в данном исследовании была выбрана модель сферически симметричной слоистой сжимаемой Земли в условиях гравитации с реологией астеносферы в виде среды Бюргерса, что позволяет моделировать как кратковременные, так и длиннопериодные вязкие эффекты.

Значительные пространственные вариации функции Грина С(г,г^ — вблизи источника, указывают на необходимость учета неравномерности пространственного распределения и(г1,?!) в свертке. Поэтому для сильных землетрясений с обширным простиранием очага исходное разрывное нарушение 5

(1)

аппроксимируется конечным набором непересекающихся прямоугольных элементов 51,, а исходное неоднородное распределение подвижки по разрыву -

соответствующим конечным набором однородных подвижек и, по малым прямоугольным элементам покрытия , и исходная свертка приводится к конечной сумме:

и(г,г„/,Г,) = Хи,Яс(г,г1,Г-г1)£/г1 . (2)

В свою очередь, максимально возможная детальность разбиения, допускающая устойчивое решение, выявляется с помощью теста типа шахматный код (рис. 1).

В общем виде задача определения эффективного распределения подвижки по разрыву из наблюдений поверхностных деформаций сводится к решению обратной задачи вида:

, (3)

1 * я I

где минимизация среднеквадратической невязки осуществляется по временным рядам измерений в момент времени на станциях с координатами г].

Кроме того, описанный выше подход позволяет осуществлять прямую оценку региональной вязкости астеносферы. Так как эта величина входит в число параметров, определяющих функцию Грина, задача оценки максвелловской вязкости астеносферы формулируется следующим образом:

. 1 V 1 V 1

т1П 2-1 2-1

(4)

где У„ьЛгр1к) и a'oьЛrJ'tk) ~ измеренные значения смещений и погрешность измерения в момент времени ^ на наблюдательном пункте в точке г,, - соответствующее значение функции Грина с учетом ее зависимости от вязкости 771, т — количество пунктов наблюдений, принимающих участие в эксперименте, V] - число степеней свободы для наблюдательного пункта в точке г,, обычно определяемое как у, = ЛГ, — п, где N1 — количество наблюдений, произведенных на пункте в точке г¡,п — количество минимизируемых параметров.

Подвижка (м) 1 5 п

Подвижка (м)

15 Iй

1.0-

Подвижка(м)

Подвижка(м)

Подвижка(м) 1.5 г-з

Рис. 1. Устойчивость восстановления гипотетической модели очага в зависимости от детальности конечной аппроксимации поверхности разрыва. Размеры элементов поверхности разрыва для первого Симуширского землетрясения 15/11/2006: а) 115x75 км, б) 57.5x50 км, в) 28.5x25 км; для землетрясения Мауле 27/02/2010: г) 120x75 км, д) 60x30 км, е) 30x15 км. Черными стрелками указаны направления модельных подвижек. NAM — Североамериканская плита, РАС — Тихоокеанская плита, SOAM - Южноамериканская плита, NAZC - плита Наска.

Третья глава посвящена детальному анализу деформационных процессов,

вызванных парными Симуширскими землетрясениями 15 ноября 2006 г. и 13 января

12

NAM КНАМ/

KETC

Подвижка (м) 1 5 та

2007 г. Приведены результаты моделирования наблюдаемых постсейсмических смещений, в ходе которого была получена прямая оценка вязкости астеносферы в срединной части Курильской островной дуги, а также построены эффективные распределения подвижек в очагах землетрясений по сейсмическим и постсейсмическим деформациям.

В результате процедуры оценки максвелловской вязкости астеносферы была

получена величина ?7, =3х1017 Па-с, при которой достигается приемлемое согласие

{X2 -14.16) между построенными модельными кривыми и экспериментальными

значениями горизонтальных компонент смещения наблюдательных пунктов (рис. 2).

(а) (б)

Куйипьская осюовная пуга: Севеоная компонента Курильская островная дуга: Восточная компонента

Рис. 2. Постсейсмические смещения, сопровождающие Симуширские землетрясения 2006-2007 гг. (а - северная компонента, б - восточная компонента). Красная линия - модельные смещения. Прямоугольниками выделены временные рамки моделирования. Вертикальными пунктирными линиями обозначены моменты: 1 - Симуширское землетрясение 2006 г., 2 - Симуширское землетрясение 2007 г., 3 - извержение пика Сарычева 2009 г.

Собранные данные о сейсмических и постсейсмических смещениях земной поверхности, вызванных Симуширскими землетрясениями 2006—2007 гг., позволяют выполнить независимую оценку ряда параметров очагов этих событий: геометрия разрыва, направления и величины подвижек по разрыву.

В качестве границ сейсмического очага землетрясения 15/11/2006 были

приняты границы облака его афтершоков, размеры которого составили примерно

230 км по простиранию и 150 км в направлении падения сейсморазрыва. При

отыскании распределенной подвижки в очаге по постсейсмическим смещениям

земной поверхности во внимание принимается возможное распространение

первоначальной очаговой зоны вследствие фрикционного асейсмического развития

сейсморазрыва в первые 2 месяца после землетрясения. С учетом этого фактора,

предусматривается возможность увеличения области поиска до протяженности в

13

600 км, а очаговая зона при такой постановке ограничивается областью ненулевой подвижки в найденном распределении. Кроме того, результатом такого увеличения протяженности является заметное улучшение согласия с экспериментальными данными (х2 уменьшается до 1.21).

Распределения подвижки в моделях, построенных по данным о сейсмических (рис. За) и постсейсмических (рис. 36) смещениях, хорошо согласуются как по локализации области максимальной подвижки, так и по ее абсолютной величине, но постсейсмическая модель охватывает более протяженную область, выходящую за пределы сейсмической модели. Наличие дополнительных областей подвижки в постсейсмической модели, очевидно, является следствием распространения первоначального сейсмического очага как в юго-западном, так и в северо-восточном направлении за счет процесса фрикционного асейсмического развития сейсморазрыва, сопровождающего основной толчок в первые месяцы после него (рис. 4).

<= - 60 мм/год (Скорость суйдукции) - 80 мм/год (Скорость субдукции I

Рис. 3. Курильская спутниково-геодезическая сеть и модель очага землетрясения 15 ноября 2006 г. по данным о сейсмических (а) и постсеймических (б) подвижках. Белыми стрелками указаны направления модельных подвижек в очаге. EUR - Евразийская плита, NAM - Североамериканская плита, РАС - Тихоокеанская плита; скорость пододвигания Тихоокеанской плиты под Североамериканскую (PAC-NAM) составляет 80 мм/год (по данным GPS).

Полученное распределение эффективной подвижки в очаге первого

Симуширского землетрясения (рис. 36) дает возможность построения прогноза

интенсивности затухания вязкоупругих напряжений в астеносфере, что, в свою

очередь, позволяет оценить время перехода сейсмогенной зоны в стационарное

состояние накопления напряжения (рис. 5).

14

КНАМ •

МАТС

МАТ С

KETC

КЕТС

KOST

15111/2006 13/01/2007

NAM

КНАМ

Í. 1 "Л

к>чл:,:

MATO

IATC

КгтС

КЕТС

KOST

KOST

15/11(2006

.315/11/2006 13/01/2007 РАС

Рис. 4. Процесс фрикционного асейсмического развития сейсморазрыва в первые два месяца после землетрясения 15/11/2006: а) с 16/11/2006 по 30/11/2006; б) с 01/12/2006 по 15/12/2006;

Рис. 5. Прогноз времени То убывания аномальной постсейсмической скорости для каждой станции до величины Уо - скорости стационарных (межсейсмических) смещений.

Для проверки возможности обобщения изложенных подходов и применимости их в других регионах в четвертой главе подробно рассматриваются сейсмические и постсейсмические деформации земной поверхности, сопровождающие землетрясение Мауле 27 февраля 2010 г. Приведены результаты прямого оценивания вязкости астеносферы в центральной части Чилийской зоны субдукции и результаты восстановления эффективного распределения подвижек в очаге этого землетрясения по данным региональных спутниково-геодезических наблюдений.

Оценка максвелловской вязкости астеносферы для центральной части Чилийской зоны субдукции, полученная в результате минимизации невязки между модельными и наблюдаемыми постсейсмическими смещениями (рис. 6), составила т]1~6х10'7 Па-с. Полученному значению максвелловской вязкости соответствует минимальное значение взвешенного среднеквадратического отклонения, равное =13.78.

(а)

■ 1 DO -1ЗД -200 -250

Чилийская зона субдукции: Северная компонента

-100 -150 -200 -250

(б)

Чилийская зона субдукции: Восточная компонента

......................... —_ CHML —

V ^^ : XELA2 LMHS

SANT GAS1

SANT

2011.0 20Л.5

Голы

2011.0 2011.5

Рис. 6. Постсейсмические смещения, сопровождающие землетрясение Мауле 2010 г. (а — северная компонента, б - восточная компонента). Красная линия - модельные смещения. Прямоугольниками выделены временные рамки моделирования. Вертикальной пунктирной линией обозначен момент землетрясения Мауле 2010 г.

С использованием полученных данных о косейсмических смещениях земной поверхности во время землетрясения Мауле 27/02/2010 и постсейсмических смещениях, наблюдаемых после него, было выполнено моделирование постранственно-распределенной подвижки в очаге этого события (рис. 7).

В качестве границ сейсмического очага землетрясения Мауле были приняты границы облака его афтершоков, размеры которого составили примерно 600 км по простиранию и 150 км в направлении падения сейсморазрыва. При отыскании распределенной подвижки в очаге по постсейсмическим смещениям земной

#LNDS • SANT

RGAO

NAZC-SOAM

RMLS

Южная Америка

поверхности во внимание принимается возможное распространение границ первоначальной очаговой зоны вследствие фрикционного асейсмического развития сейсморазрыва в первые полгода после землетрясения. С учетом этого фактора, так же, как и для Симуширских землетрясений, предусматривалась возможность увеличения области поиска до протяженности в 1100 км, а очаговая зона при такой постановке ограничивается областью ненулевой подвижки в полученном распределении. Результатом такого увеличения протяженности также является заметное улучшение согласия с экспериментальными данными (X'' уменьшается до 2.14).

NAZC

SOAM

SOAM

NAZC

ТИХИИ ОКЕАН

ТИХИИ ОКЕАН

г М

АСРМ

?R

Mw=8 8 27/02/2010 ■ SOLt CONT

LMHS

ii'tt

ESCA PWRO

TMCO

i ПЗКН

LLFN

■75" -70' -75c -70'

<=J - 66 мм/год (Скорость субдукции) - 66 мм/год (Скорость субдукции)

Рис. 7. Чилийская спутниково-геодезическая сеть и модель очага по данным о сейсмических (а) и постсейсмических (б) подвижках. Белыми стрелками указаны направления модельных подвижек в очаге. SOAM - Южноамериканская плита, NAZC - плита Наска; скорость пододвигания плиты Наска под Южноамериканскую (NAZC-SOAM) составляет 66 мм/год (по данным GPS).

Полученные модели очага землетрясения Мауле 27/02/2010 в целом не

противоречат друг другу, сохраняя приблизительную локализацию максимальных

подвижек, но постсейсмическая модель охватывает более протяженную область,

выходящую за пределы сейсмической модели, что наблюдается и в случае

аналогичных построений для первого Симуширского землетрясения 15/11/2006.

Наличие дополнительных областей подвижек в постсейсмической модели,

очевидно, является следствием расширения первоначального сейсмического очага

17

как в северо-восточном, так и в юго-западном направлении за счет процесса фрикционного асейсмического развития сейсморазрыва, сопровождающего основной толчок в первые 6 месяцев после него (рис. 8). Более поздний период постсейсмической фазы характеризуется, так же как и для Симуширских землетрясений, доминированием процесса вязкоупругой релаксации в астеносфере, что отражает схожесть протекания постсейсмических процессов в этих регионах.

I §1 I §1 I

оид

МУ*=8.8 27/02/2011

М'л=8 8 27/02/201(

Му¥=8.8 27/02/201

(г)

(Д)

I- 1§П

Рис. 8. Процесс фрикционного асейсмического развития сейсморазрыва в первые 6 месяцев после землетрясения 27/02/2010: а) с 28/02/2010 по 27/03/2010; б) с 28/03/2010 по 27/04/2011; в) с 28/04/2010 по 27/05/2010: г) с 28/05/2010 по 27/06/2010; д) с 28/06/2010 по 27/07/2010; е) с 28/07/2010 по 27/08/2010.

идгс

На основании полученного распределения эффективной подвижки в очаге землетрясения Мауле (рис. 76) выполняется построение прогноза интенсивности затухания вязкоупругих напряжений в астеносфере в центральной части Чилийской зоны субдукции. Согласно результатам моделирования, интервал времени до исчезновения заметных аномальных движений и перехода сейсмогенной зоны в стационарное состояние накопления упругих напряжений составляет примерно два десятилетия (рис. 9).

Рис. 9. Прогноз времени То убывания аномальной постсейсмической скорости для каждой станции до величины Уо - скорости стационарных (межсейсмических) смещений.

Заключение

После сильных землетрясений, как правило, наблюдаются интенсивные постсейсмические деформации, которые чаще всего объясняются одним из трех механизмов: вязкоупругой релаксацией в астеносфере, фрикционным асейсмическим развитием сейсморазрыва или выравниванием порового давления во вмещающих разрыв водонасыщенных породах. Многолетние временные ряды спутниково-геодезических наблюдений постсейсмических смещений содержат достаточно информации как о возможной геометрии эффективного распределения

подвижки по разрыву, так и о региональных реологических параметрах среды. В настоящей диссертации предложена методика интерпретации наблюдаемых постсейсмических процессов, основанная на прямом оценивании вязкости астеносферы и принципиальной возможности построения эффективного распределения подвижки в очаге по постсейсмическим деформациям.

На основании проведенного исследования постсейсмических процессов, сопровождающих Симуширские землетрясения 15 ноября 2006 г. и 13 января 2007 г., а также землетрясение Мауле 27 февраля 2010 г., можно сделать следующие выводы:

1. В обоих рассматриваемых случаях постсейсмические деформации, наблюдаемые в первые месяцы после землетрясений, обусловлены процессом асейсмического развития очага. Построенные распределения эффективных подвижек вблизи очаговых зон землетрясений в этот период указывают на развитие наблюдаемого процесса на начальной стадии, а затем постепенное снижение его интенсивности, вплоть до полного затухания. Вследствие достаточно быстрого затухания процесса упругого фрикционного развития трещины (2 месяца для первого Симуширского землетрясения и 6 месяцев для землетрясения Мауле), в более поздний временной период доминирующим постсейсмическим процессом является вязкоупругая релаксация в астеносфере.

2. Полученные оценки максвелловской вязкости астеносферы - 3* 1017 Па-с для средней части Курильской островной дуги и 6x1017 Па-с для центральной части Чилийской зоны субдукции на два порядка меньше среднего по Земле значения (1x1019 Па-с) и, очевидно, ниже значений, определенных в рамках других методик для ряда других субдукционных зон ([0.5-5]хЮ19 Па-с). В то же время, подобные пониженные значения вязкости подтверждаются результатами исследований в области механики горных пород, а также результатами интерпретации геодезических наблюдений в различных регионах Земли. Таким образом, полученные значения максвелловской вязкости астеносферы могут являться общей характеристикой схожих по строению регионов земного шара, а также служить свидетельством того, что именно вязкоупругая релаксация в астеносфере и верхней мантии является доминирующим постсейсмическим процессом в этих регионах.

20

3. Было установлено, что эффективные распределения подвижек в очагах исследуемых землетрясений, построенные как на основании сейсмических, так и постсейсмических данных, в целом согласуются по величине и локализации подвижек, что дает возможность оценивать распределение сейсмической подвижки в очаге, даже в отсутствие измерений сейсмических смещений непосредственно во время землетрясений.

4. Поскольку изменение напряженно-деформированного состояния сейсмогенной зоны, вызванное постсейсмическими процессами, может оказывать существенное влияние на оценку сейсмической опасности рассматриваемой зоны, необходимо прогнозировать затухание вязкоупругих напряжений в астеносфере. В результате моделирования вязкоупругих деформаций в астеносфере, сопровождающих Симуширские землетрясения 2006-2007 гг. и землетрясение Мауле 2010 г., было установлено, что период затухания аномальных смещений на фоне упругих межсейсмических деформаций составляет не менее 10-20 лет.

Таким образом, использование всей совокупности спутниково-геодезических измерений сейсмических и постсейсмических движений с привлечением соответствующих моделей, включающих как фрикционное асейсмическое развитие сейсморазрыва в первые месяцы после землетрясения, так и вязкоупругую релаксацию в астеносфере в последующие годы, должно усовершенствовать общие представления о развитии сейсмического процесса в целом.

Публикации автора по теме диссертации

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Владимирова U.C., СтебловГ.М., Фролов Д.И. Исследование вязкоупруг их деформаций после Симуширских землетрясений 2006-2007 гг. // Физика Земли. - 2011. - №11. -С. 75-80.

2. Адушкин В В., Санина И.А., Владимирова U.C., Габсатаров Ю.В., Горбунова Э.М., Иванченко Г.Н. Современные геодинамически активные зоны центральной части Восточно-Европейской платформы //ДАН. - 2013. - Т. 452. - № 5. - С. 558-561.

3. Адушкин В.В., Санина И.А., Владимирова U.C., Габсатаров Ю.В., Горбунова Э.М., Иванченко Г.Н. Исследование неотектонической активности морфоструктур центральной части Восточно-Европейской платформы с использованием дистанционных методов // Физика Земли. -2014. -№ 2. - С. 21-28.

4. Владимирова U.C., Стеблов Г.М. Постсейсмическое развитие очаговых зон сильнейших землетрясений // Геофизические исследования. - 2015. - Т. 16. - № 2. - С. 27-38.

21

Публикации в прочих изданиях:

5. KoganM.G., FrolovD.I., SteblovG.M., Gabsatarov Y.V., Vladimirova I.S., Freymueller J.T. Imprint of the Bering Plate in Chukotka, East Siberia, from Regional GPS Observations // Eos Trans. AGU, Fall Meet Suppl. - 2009. Abstract G23D-04.

6. Владимирова И.С. Постсейсмическая активность, сопровождающая Симуширские землетрясения 2006-2007 гг. // XI Уральская молодежная научная школа по геофизике. Сборник докладов. - Екатеринбург: ИГф УрО РАН, 2010. - С. 56-59.

7. Владимирова И.С., Стеблов Г.М., Фролов Д.И. Исследование вязкоупругих деформаций после Симуширских землетрясений 2006-2007 гг. // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: тезисы докладов 8-й Международной школы-семинара. - М.: ИФЗ РАН, 2010. - С. 26-27.

8. Владимирова И.С. Моделирование постсейсмических процессов в субдукционных регионах // Материалы шестой международной сейсмологической школы. - Обнинск: ГС РАН,2011.-С. 95-100.

9. SteblovG.M., VasilenkoN.F., FrolovD.I., KoganM.G., FreymuellerJ.T., PrytkovA.S., Vladimirova I.S. Viscoelastic Relaxation in the Upper Mantle Following the 2006-2007 Great Kuril Earthquakes // Eos Trans. AGU, Fall Meet. Suppl. - 2011. Abstract T23C-2406.

10. Владимирова И.С. Моделирование постсейсмических процессов в субдукционных регионах // Материалы второй молодежной тектонофизической школы-семинара. - М.: ИФЗ РАН, 2011.-Т. 1.-С. 36-42.

11. Владимирова И.С. Развитие очаговых зон крупных субдукционных землетрясений на примере первого Симуширского землетрясения 15 ноября 2006 г. и землетрясения Мауле 27 февраля 2010 г Материалы третьей тектонофизичес-кой конференции. - М.: ИФЗ РАН, 2012.-Т. 1. - С. 146-149.

12. Vladimirova I.S. Modelling of postseismic processes in subduction regions // Geodynamics & Tectonophysics. - 2012.-V.3.-N.2.-P.167-178.

13. SteblovG.M., Vladimirova I.S. Rheological Models of Great Subduction Earthquakes from Simultaneous Inversion of Coseismic and Postseismic GPS Data // Eos Trans. AGU, Fall Meet. Suppl. - 2012. Abstract T22A-04.

14. Владимирова И.С. Очаговые зоны Симуширских землетрясений 15 ноября 2006 г. (I) с Mw=8.3 и 13 января 2007 г. (II) с Mvv=8.1 по данным космической геодезии // Землетрясения Северной Евразии, 2007 год. - Обнинск: ГС РАН, 2013. - С. 339-350.

15. Adushkin V., Saninal., Vladimirova I., Gabsatarov Yu., GorbunovaE., Ivanchenko G., Vinogradov E. Study of neotectonic and earthquake engineering processes in the central part of East European (Russian) Craton [Электронный ресурс]. - 2ECEES: Istanbul, 2014.-3 p. -Режим доступа: http://www.eaee.org/Media/Default/2ECCES/2ecces_eaee/1427.pdf

Подписано в печать 20.07.2015 Объем: 1,0 усл. печ. л. Тираж: 100 шт. Заказ № 146 Отпечатано в типографии «Реглет» 125009, г. Москва, Страстной бульвар, д. 4 +7(495)978-43-34; www.reglet.ru