Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование взаимосвязи современных деформационных и сейсмических процессов в зонах разломов, на примере Камчатки

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование взаимосвязи современных деформационных и сейсмических процессов в зонах разломов, на примере Камчатки"

Г4- Российская Академия Паук

<■•_•• ()Г)1.сд1шс11111.ш институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта _ Инсштут сейсмологии

На правах рукописи УДК 551 242, 550 34

ЧУ/'И/СОН Владимир Александрович

Исследование взаимосвязи современных деформационных н сейсмических процессов в зонах разломов, на примере Камчатки.

Специальность 04 00 22 - фишка твердой Земли

Л в т о р с ф е р а г

дшхерпшции пч соисканисученой апепсии кандидата фишко-мителштичсских наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена в Ипсшп ic нулканолш ми, Дальневосточного отделении РАН, Опышо-меюдической сейсмологической партии (г.1 кчропавлопск-Камчаккий)

Научные py KoïKi iii ic.ni:

доктор ф|п-ма1 наук Ю.О.Кузьмин канд. техн. наук Федосеев Ю.Е.

Официальные онмонен ii.i:

доктр физ-маг наук Сковородкпн Ю.П. (ОИФЗ) канд. техн. наук Кафтан В.И. (ЦНИИГАиК)

Ведущая органы шшя:

Московский государе ¡венный Университет, Фн тический факуль ici.

Специализированною совет К002 08.04 при Обьедипспном институте физики

Земли им. О.Ю.Шмидта РАН

Адрес: г.Москва, ул.Б.Грузннская, д. 10.

С диссеркшией можно ошакомигьея в библиотеке Объединенного института физики Земли им. О Ю Шмидга РАН.

Авюре(()сра1 раюслаи « ¿¿А» Д V 1997,.

Учёный секретарь Специализированного сонета

часов на заседании

канд. физ -мат. наук.

Завьялов А.Д.

Впеденне и общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Проблема современных движений земной коры представляет интерес для наук, изучающих Землю как планету - геологии, геофизики, географии, геодезии, астрономии и картографии. Исследование данного вопроса в комплексе сделало возможным не только констатировать мобильность земной поверхности в настоящее время, но и получить данные о глобальной геодинамике Земли.

По современным представлениям причины землетрясений и извержений вулканов кроются в деформационных процессах, происходящих в земной коре и верхней мантии. Сейсмическое событие или вулканическое извержение, как правило, предваряется периодом аномальных деформаций пород, который следует за более продолжительным периодом фоновых деформаций. Аномальные деформации могут достигать значительных величин и проявляться на больших площадях. Известно, что вулканические и сейсмические проявления пространственно приурочены к зонам активных тектонических нарушений. Очевидно, что поле деформаций сейсмоактивной зоны имеет мозаичную структуру, в которой существуют блоки с различными деформационными характеристиками и зоны нарушений, разделяющие эти блоки.

В этой связи особую актуальность приобретают целенаправленные исследования современной геодинамической активности зон тектонических нарушений или разломных зон, как мест наиболее ярких проявлений деформаций земной коры.

С этих позиций представляет особый интерес сравнительный анализ связи современного геодинамического процесса разломных зон и сейсмической активности региона.

Цель исследований.

Цель работы - установление пространственно-временной структуры современных деформационных процессов в зонах разломов с помощью геодезических (нивелирных) наблюдении с повышенной пространственно-временной детальностью и выявление их связи с сейсмичностью Камчатского региона. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- создание локального прецизионного нивелирного профиля с учетом геолого-геофизических и сейсмотектонических особенностей места закладки наблюдательных пунктов;

- разработка методики наблюдений, первичной обработки материала и оценки точности результатов измерений;

- изучение пространственно-временных вариаций деформационной активности среды и выявление её взаимосвязи с сейсмичностью региона;

- установление механизма формирования предвестниковых деформаций в период подготовки сильного землетрясения 2 марта 1992 года.

Фактический материал и личный вклад автора.

В основу диссертации положены результаты высокоточного геометрического нивелирования, проведённого в течение 33-х месяцев (с ноября 1989 г. по июль 1992 г.) с частотой, в среднем, 1-2 раза в неделю на нивелирном профиле в пригороде города Петропавловска-Камчатского. Все нивелирные измерения на профиле проведены при непосредственном участии автора или под его научно-методическим руководством геодезической группой Опытно-методической сейсмологической партии Института вулканологии (ОМСП ИВ) ДВО РАН. Данные по сейсмичности Камчатки были любезно предоставлены ОМСП. Данные по геодезическим исследованиям деформаций земной поверхности на побережье Авачинского залива заимствованы автором из отчетов ИВ ДВО РАН и опубликованных работ. Новейшие данные по геофизическим исследованиям в окрестностях г. Петропавловска-Камчатского и г. Елизова и данные по режимным наблюдениям за уровнем грунтовых вод на берегу Авачинского залива любезно предоставлены ведущим специалистом партии Елизовской геофизической экспедиции (ЕГФЭ ККГПРИ) Нурмухамедовым А.Г. и сотрудниками Камчатского территориального гидро-экоцентра (КТГЦ "Камчатгеология"), соответственно.

Научный анализ, обобщение и интерпретация измерений вертикальных движений выполнены автором.

Методика исследований.

Диссертация выполнена на основе экспериментального материала, полученного в результате высокоточного нивелирования, выполненного по методике специально разработанной для ведения измерений на локальном нивелирном профиле с повышенной частотой опроса. Для оценки точности результатов нивелирования был применен дисперсионный анализ полученных данных. При обработке экспериментальных данных использовались методы вероятностно-

статистического анализа и различное математико-статистическое программное обеспечение для персонального компьютера.

Научная новизна работы.

На основе долговременных режимных наблюдений впервые получены результаты высокоточных нивелирных наблюдений, проведенных с повышенной пространственно-временной детальностью (еженедельные повторения и расстояние между измерительными пунктами 80-100 метров) в Камчатском сейсмоактивном регионе.

Разработана специальная методика по обработке и анализу данных, получаемых на локальных нивелирных сетях,расположенных в зонах активных разломов.

Впервые, для условий Камчатки установлено наличие узко локализованных (на базе 100 метров) суперинтенсивных деформаций (СД) с амплитудами до 5-6 см и длительностью от 2-3 до 6 месяцев, обусловленных современной динамикой разломов.

Выявлены прямые и обратные взаимосвязи между СД и сейсмическими процессами. Прямая взаимосвязь обусловлена наличием деформационного предвестника сильного землетрясения, когда увеличению амплитуды деформационных процессов соответствует увеличение сейсмической активности. Обратная - проявляется в противофазном поведении деформационных и сейсмических параметров и вызвана перераспределением накопленной в регионе энергии между двумя различными формами ее реализации: сейсмическим процессом и супсринтенсшшыми деформациями по разлому.

Выявлены высокоаммлитудпые аномальные деформации (до 13см) земной поверхности, предваряющие землетрясение 2 марта 1992 года и предложен механизм их формирования.

Основные защищаемые положения.

На защиту выносятся следующие наиболее важные результаты:

1. Методика и метрологическое обеспечение высокоточного геометрического нивелирования с повышенной частотой опроса локального нивелирного профиля.

2. Способы статистической обработки и анализа результатов измерений.

3. Установленные пространственно временные закономерности современных деформационных процессов выявленных в условиях повышенной деталь-

ностн измерений.

4. Выявленные типы взаимосвязи локальных аномалий деформаций в зонах разломов с сейсмическими процессами Камчатского региона.

5. Результаты анализа и моделирования аномальных предвестниковых деформаций обусловленных подготовкой землетрясения 2 марта 1992 года.

Практическая ценность работы.

Новые экспериментальные данные и развитые на их основе представления о пространственно-временных закономерностях протекания современных геодинамических процессов в зонах разломов имеют важное практическое значение при исследованиях по изучению физики очага и процессов подготовки землетрясений.

Разработанная комплексная геодезическая технология по созданию локальных высокоточных нивелирных профилей расположенных в зонах активных разломов позволяет производить мониторинг быстропротекающих деформационных процессов, оперативно выделять стабильные и мобильные зоны на земной поверхности, необходимые при оценке риска функционирования особо ответственных объектов.

Использованная технология локального нивелирного профиля позволяет существенно снизить финансовые затраты, которые необходимы при закладке и опросе больших геодезических сетей, значительно повысить эффективность измерений и оперативность получения данных, а также позволяет использовать дешевые ресурсы, которые не требуют использования нестандартных приборов и специального обучения исполнителей.

Апробация работы. Публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

Вулканологических семинарах Института вулканологии ДВО РАН (г.Петропавловск-Камчатский), 1993, 1996; 50-й юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, Московской государственный университет геодезии и картографии, Москва, 1995; Сейсмологических семинарах Института сейсмологии ОИФЗ РАН 1996, 1997; Международных конференциях: Первый Турецкий международный симпозиум по деформациям, г. Стамбул, Турция, 1995; 5-я международная вулканологическая конференция на вулкане Колима, г. Колима, Мексика, 1996.

Основное содержание диссертации изложено в двух статьях, одна из кото-

рых и печати, а также в 11 тезисах и докладах на различных конференциях.

Объём работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, и заключения; содержит 118 страниц, 30 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 146 наименований.

А »тору хотелось бы выразить искреннюю благодарность и признательность своим научным руководителям, Кузьмину Юрию Олеговичу за постоянную поддержку, внимание и помощь в работе и Федосееву Юрию Евгеньевичу за полезные консультации, советы и обсуждения материалов исследования.

И процессе выполнении работы автору оказывали всестороннее содействие и помощь сотрудники и коллеги Лаборатории геодезии, ОМСП и Института вулканической геологии и геохимии: Гордеев H.H., Добрынина H.H., Добрынин Н.<!>„ Круглое IO.ll., Магуськин М.А., Миронов С.А., Нечаев П., С'оломатин А., Салтыков H.A., Степанов U.U., Чебров H.H., Чурикова Т.Н., а так лее сотрудники Нлюовскои геофизической экспедиции Нур.мухамедов Аи Камчатского территориального гидро-окоцентра Даничин A.A., и многие другие, которым я признателен за действенную помощь ч работе.

Так .псе я признателен иностранным коллегии: Dr. Г. Camelbeeck (Королевская обсерватория, Нрюссель, Бельгия), Dr. A. Demoulin (Национачьный географический институт г. Льеж, Бельгия), Dr. С. Oppenheimer (Кембриджский университет, Англия), Dr. К. Theunis.sen (Королевский музей Центральной Африки, Нрюссель, Бельгия), l'rof. Dr. Ci. Woerner, Mr. К. I,aschlowil; ( Университет г. Гёттингеп, Нер.мания) за ценные консультации и помощь в работе.

На заключительном этапе работа бьича поддержана и финансировалась грантом 1NTAS №>9-4-3129.

Содержание работы. Глава i. Состояние изученности проблемы но исследованию современных деформационных процессов в зонах разломов.

В первой главе дан литературный обзор исследуемой проблемы. В обзоре показано, что к настоящему времени существует большое количество данных повторных измерений о современных перемещениях земной коры на геодинамических полигонах расположенных в орогенных и сейсмоактивных регионах, на платформах и кристаллических щитах. Накоплено и опубликовано большое количество информации по измерениям деформаций на различных полигонах страны: Гармский полигон: Буланже Ю.Д., Гусева Т В., Певнев А.К., Сковород-

кип Ю.П. и другие; Приалмаатинский полигон: Атрушкевич П.А., Колобаев

H.Б., .Потоцкий В.Д., Остропико П.А. и другие; Ташкентский полигон: Мухаме-дов Я. и другие; Ашхабадский полигон: Гаипов Б.Н., Кузьмин Ю.О., Курбанов М.К., Челпанов С.С. и другие; Фрунзенский полигон: Трапезников Ю.А. и другие; Карпатский полигон: Кузнецова В.Г., Максимчук В.Г., Сомов В.И. и другие; Полигоны Миннефтепрома: Сидоров В.А. и другие; Полигоны ГУГиК: Кафтан В.И., Остач О.М., Серебрякова Л.И. и другие; Байкальский полигон: Колмогоров В.Г., Колмогорова П.П., Есиков Н.П. и другие; Сахалинский полигон: Захаров В.К. и другие; Камчатские геодинамические полигоны: Бахтиаров В.Ф., Золотарская С.Б., Кириенко А.П., Лакотко М.И., Левин В.Е., Магуськин М.А, Никитенко Ю.П., Чуриков В.А., Энман В.Б., Энман C.B.; и многие другие.

На этих полигонах были выявлены следующие основные результаты:

1).Выявлены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности, которые приурочены к зонам разломов различного типа и порядка. Эти аномальные движения высокоамплитудны (до 50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1 - 1 года), пространственно локализованы (0.1-1 км), обладают пульсационной и знакопеременной направленностью [Лакотко, Сапрыкин, Чуриков 1989; Kuzmin, Churikov 1995 и другие].

2).Существуют устойчивые типы локальных аномалий вертикальных движений земной поверхности в зонах разломов. [Коломогоров, Коломогорова 1987; Кузьмин 1986, 1988]

3).Основные пространственно-временные характеристики аномальных движений идентичны, как для сейсмоактивных, так и для асейсмичных разлом-ных зон [Кузьмин 1986 - 1996; Сидоров, Кузьмин 1989].

I.1 Обзор основных результатов изучения современных движений земной коры в зонах разломов

Анализ результатов полученные на геодинамических полигонах показал, что существующие к настоящему времени данные различных геодезических и геофизических исследований не позволяют установить тонкую пространственно-временную структуру деформационного поля в зонах разломов Камчатского региона. Это связано с отсутствием на сегодняшний день измерительных геодезических построений с повышенной пространственно-временной детальностью, которые позволили бы это выявить. [Churikov, Kuzmin 1997]

1.2 Существующие представления о механизмах формирования современной деформационной активности разломных зон.

Проведенный анализ существующих на сегодняшний день представлений о механизмах формирования современной деформационной активности разлом-ных зон показал, что под разломом понимают обычно либо некоторую поверхность скольжения во внутренних участках среды, у которой имеет место скачок смещений, либо некое объемное включение различной конфигурации, имеющее физико-механические свойства, отличные от свойств вмещающей среды. Каждому из этих представлений соответствуют свои модели формирования аномальных нолей деформаций. Это соответственно модели дислокационные и упругих включений [Молоденский 1983; Кузьмин 1988; Гарагаш 1980; Добровольский, Мячкин 1976; Chinnery 1961; Mahrer 1981; Mansinha, Smylie 1971; Rosenman, Singh 1973; Sezava 1929 и другие] В результате сопоставительного анализа показано, что наиболее адекватным механизмом формирования современных коротконериодическнх и высокоамплитудных деформационных процессов в зонах разломов является механизм параметрического возбуждения [Кузьмин 1986-1996]

Выводы по главе 1:

1. Многократные повторные нивелирования на геодинамических полигонах выявили новые закономерности современных деформаций земной поверхности в зонах разломов.

2. Исследования изменении превышений целесообразно сосредоточивать в зонах активных разломов, где для прогноза землетрясений представляют большой интерес высокоамплитудные и кратковременные вариации аномальных изменений превышений.

3. Для объяснения высокоамплитудных современных деформаций земной поверхности целесообразно использовать механизм параметрического возбуждения деформационных процессов в зонах разломов.

Глава 2. Геолого-геофизическое и геодезическое описание Петропавловского геодинам и ческого полигона.

Вторая глава посвящена проведённым геолого-геофизическим исследований и повторным геодезическим измерениям на Петропавловском геодинамическом полигоне (ГДП).

2.1 Геолого-геофишческое описание Петропавловского геодинамического полигона.

Наиболее крупные тектонические нарушения района отнесены к двум системам: северо-восточного и северо-западного простирания. В северо-восточном направлении параллельно сейсмофокальной зоне полигон пересекает глубинная разломная зона к которой приурочены вулканы Восточной Камчатки. В северозападном простирается Начикинская поперечная зона, которая включает в себя Авачинскую депрессию и Петропавловский горст. [Апрелков 1972] В плане с узлом пересечения двух систем совпадают действующий Авачинский и Козельский вулканы. Северные пункты полигона расположены на склонах вулканической постройки Авачинско-Корякской группы вулканов, под которой выделяется зона аномального затухания сейсмических волн. [Мишин 1996; Нурмухаме-дов, Попруженко 1989; Нурмухамедов, Желтухин 1992]

2.2 Сейсмичность территории ГДП и сопредельных областей.

На расстоянии 70 км. от г. Петропавловска-Камчатского проходит ось сейсмофокальной Курило-Камчатской зоны, в которой происходят свыше 60% всех землетрясений региона. По долгосрочному сейсмическому прогнозу район Авачинского залива и п-ова Шипунского входит в область, где наиболее вероятно землетрясение с М>73/4 [Федотов и др. 1987].

Сейсмичность района, где располагается Петропавловский геодинамический полигон, характеризуется тем, что область максимальной сейсмичности приходится на глубины 0-40 км. Полоса наибольшей плотности очагов на этих глубинах падает от желоба в сторону континента и смыкается с наклонной частью фокального слоя на глубинах 40-50 км. [Федотов и др. 1985]

2.3 Геодезическое описание ГДП.

По результатам измерений на различных нивелирных профилях удалось выявить участки контрастных движений, отождествляемые с разломными зонами. Вертикальные подвижки в этих зонах были максимальными и приурочены по времени к сильным сейсмическим событиям. Анализ линейно-угловых измерений на ГДП показал, что на полигоне чередуются периоды растяжений и сжатий земной поверхности связанные с сейсмической активностью в Авачинском заливе. [Бахтиаров и др. 1984, 1989; Кириенко и др. 1986; Кириенко 1990; Эн-ман и др. 1986]

Выводы по главе 2:

1. Показано что, по результатам измерений на нивелирных профилях ГДП выявлены участки контрастных движений, отождествляемые с разломными зонами.

2. Обнаружен ряд предвестников землетрясений из различных деформационных построений для землетрясений Камчатского региона.

3. Показано, что для выявления структуры предвестниковой аномалии геодезические наблюдательные сети должны быть дополнены локальными режимными нивелирными профилями с повышенной частотой опроса и пространственной детальностью.

Глава 3. Описание локальной нивелирной системы наблюдений, методики наблюдений и результатов шмерений.

В данной главе дано описание постановки системы наблюдений, нивелирного профиля и результатов, которые послужили основой для постановки специальных исследований современной динамики разломов с повышенной пространственно-временной детальностью.

3.1 Геодезическое и геолого-геофизическое обоснование выбора местоположения профиля.

Выбор места закладки нивелирного профиля был сделан исходя из имеющейся разнообразной геофизической, геологической информации и длинных рядов геодезических наблюдений, полученных ранее. Выбор участка для закладки профиля можно считать достаточно удачным, т.к. расположен он в зоне пересечения тектонических нарушений северо-западного и субширотного направлений. В центральной своей части профиль пересекает локальный максимум силы тяжести и в южной своей половине частично интрузивное тело. По данным аэрофотосъёмки в центральной части профиля картируется разлом, который пресекает профиль п направлении запад-восток. [Нурмухамедов и др. 1992]

3.2 Технология закладки локальной сети, конфигурация и устройство нивелирного профиля. Технология измерений использованная на профиле, обработка полевых материалов.

Профиль разбит на 28 нивелирных станций, расстояние между станциями в среднем составляет 80-100 м. При измерениях на профиле была использована измененная программа наблюдений на станции при нивелировании первого класса. С ноября 1989 года и по июль 1992 года нивелирование выполнялось с

частою» 1-2 paja в неделю. Случайная ошибка, полученная из двух смежных станций, составила г|=0.09 мм.

3.3 Анализ измерений но профилю и его результаты.

Исследование результатов нивелирования было начато с изучение ошибок измерений. Были выполнены следующие исследования:

а) проверка независимости ошибок смежных станций [Кемниц 1967,1970];

б) проверка постоянства точности нивелирования по всему профилю [Ви-дуев, Кондра 1968].

Н (м)

'5 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 >5 f & |&

a ¡Ü Промежуточные "мини" репера $ §

Рисунок 1. Смещения земной поверхности на профиле относительно первого репера.

Затем был проведён взаимный анализ и сравнение превышений полученных на станциях по всему профилю. Из анализа выявлены участки с локальными проседаниями земной поверхности (рисунок 1). Характерным для всех трёх типов кривых является пикообразная форма опусканий, кроме того, отмечается ярко выраженный пульсационный характер выявленных просадок. Периоды интенсивного опускания чередуются с периодами относительного покоя. В отдельные промежутки времени наблюдаются периоды незначительных инверсионных движений. Амплитуда локального максимума в эти моменты относительно уменьшается. Однако в целом имеет место устойчивая тенденция к пуль-сационному, последовательному проседанию локальных участков на земной поверхности. Амплитуда аномалий составляет величины от 1-2 до 10-13 см в

различные периоды времени. Ширина аномалий колеблется от 200 до 500 метров.

Выводы по главе 3:

1. Измерения на станциях профиля отягощены дополнительной ошибкой вызванной, в большей степени, влиянием сезонных движений связанных с изменением уровня грунтовых вод и, в меньшей степени, температурой воздуха и атмосферным давлением.

2. Установлена полная непригодность оценки точности по прямым и обратным превышениям на локальном профиле в Камчатском сейсмоактивном регионе. Такая оценка точности несет в себе ошибку связанную с деформационными процессами и отягощена влиянием собственной динамики разломов. Величина случайной ошибки для хода прямо и обратно составляет 1 мм, тогда как реальная оценка точности измерений - т)=0.09 мм.

3. Величины смещений земной поверхности измерены на профиле с высокой достоверностью, т.к. они значительно превосходят точность измерений.

4. Выявленные аномальные зоны классифицируются как аномалии типа у и приурочены к тектоническому нарушению, относящееся к системе разломов Авачинской депрессии, что хорошо согласуется с полученными ранее геологическими данными.

Глава 4. Совместный анализ деформаций и сейсмичности, интерпретация результатов.

В этой главе представлен большой этап в исследовании результатов нивелирования на профиле, состоящий в совместном сравнительном анализе геодезических измерений и сейсмических событий, которые произошли на Камчатке и, в частности, в Авачинским заливе.

4.1 Характер взаимосвязи деформационных и сейсмических процессов.

Для коррекции от воздействия различных метеорологических, сезонных и других факторов исходные данные был промоделированы с помощью процедуры АРИСС (Авто- Регрессионное Интегрированное Скользящее Среднее). Разностный временной ряд, между моделью и оригинальными данными, с учетом сезонных колебаний затем сопоставлялся с сейсмическими событиями, которые произошли во всем регионе (рисунок 2).

Из графика следует, что периодам, когда происходит снижение сейсмичес-

кой активности (их всего три), соответствуют периоды увеличения деформаций. Далее, Были рассчитаны среднемесячные величины выделившейся сейсмической энергии в различных объёмах. Для сопоставления с временным ходом энергии сейсмических процессов использовались среднемесячные значения скорости деформаций взятые по абсолютной величине. Результат сопоставления скоростей деформаций с сейсмическим режимом (рисунок 3) показывает, что:

а) для станций расположенных в зонах разрывных нарушений (рисунок 3 А, Б) характерно противофазное поведение сопоставляемых параметров. Увеличению скорости деформаций соответствуют минимумы (или сейсмические затишья) сейсмической активности и наоборот.

б) имеет место синфазное поведение параметров, которые нами отождествляются с предвестником землетрясения произошедшего 2 марта 1992 года с М=7.1 на расстоянии 100 км от нивелирного профиля на глубине 20 км. Амплитуда предвестниковой аномалии достигает величины от 5-6 до 10-13 см на различных участках профиля.

в) в пределах слабовыраженных аномалий и на стабильных участках профиля (рисунок 3 В, Г) отмечается только одна аномальная ситуация, которая приурочена к землетрясению 2 марта 1992 года и имеет амплитуду от 2-3 до 1012 мм.

_ ^ ^Энергия Шж)

15 14 13 12 11 Ю

сл о о о о о о ,— т— т—

со СП СП о СП <35 О) СП СП о>

ОС ш о. с; X ее ш о.

о X го СП д а> о X го го

X к & 2 о X Оч ь Ь

2

Т- г— см см см

СП СП СЛ СП

т 4 со о.

0) о X го го

о X к ¡8 5

с; 2

3. Сопоставление выделившейся сейсмической энергии и скорости вертикальных смещений, осреднённых по месяцам.

Рисунок 4. Наблюдённые ( - о ) и теоретические ( —•—) величины у -аномалий. Значения на горизонтальных осях даны в км, на вертикальных в мм. На врезках даны рассчитанные параметры источников у -аномалий. "Левая" и "Средняя" аномалии названы в соответствии с просадками на рис. 1 И-я аномалия соответствует периоду понижения сейсмической активности; Ш-я - периоду землетрясения 2 марта 1992г.

В период снижения сейсмической активности в регионе, начинают активизироваться деформационные процессы в зонах разрывных нарушений и наоборот. А в период подготовки сильнейшего сейсмического события в регионе, сопоставляемые параметры меняются одновременно. При этом, амплитуда предвестника претерпевает изменения в 2 порядка в зависимости от местоположения на профиле. Таким образом, очевидно, что зоны разломов кардинально меняют предвестниковую ситуацию, усиливая эффект аномальных деформаций на несколько порядков. Есть основания полагать, что в сейсмоактивных разломах осуществляется «переток» части общего энергетического эквивалента в форму

сейсмичности, уменьшая тем самым ту часть потенциальной энергии, которая реализуется в форме СД. [Кигпп'п, СИипкоу, 1995]

Далее, по методике Ю.О.Кузьмина [Кузьмин 1988, 1990] решалась обратная задача современной геодинамики разломов - определение глубины залегания, геометрические размеры и степень локального разупрочнения среды в активизированном фрагменте (включении) разломной зоны.

На рисунке 4 приведены наблюдённые и теоретические значения у-анома-лий. Из рисунка видно, что данные показывают на хорошую сходимость результатов. Там же приведены параметры (а- полуширина, с!- глубина до верхней кромки, О-глубина до нижней кромки аномалеобразующей области) источников у-аномалий, полученные в результате решения обратной задачи (подбора). Сопоставление с геоло-геофизнческими данными показало, что выявленные диапазоны глубин соответствуют зоне контрастного перехода от вулканогенно-пролювиапьных отложений четвертичного возраста к палеоген-неогеновым вулканогенным образованиям. Аномалеобразующие области расположены в мощной разломной зоне, которая прослеживается со значительных глубин (данные ГМТЗ) до поверхности (дистанционные материалы). Следует так же отметить, что указанные верхние границы включений являются разделом между залеганием грунтовых и подземных вод.

Из рисунка 4 видно, что между теоретической и наблюденной кривыми во всех случаях существует различие в амплитудах порядка 15-20%. Это связано с тем, что модельные результаты получены точным аналитическим решением для невесомой среды. Реальная кривая просадок обусловлена внутренним источником действующей в весомой среде, которая учтена путём численного решения методом граничных элементов и компенсирует отмеченную разницу. [Изюмов, Кузьмин, Рыжкова и др. 1994]

Картина формирования локальных деформационных аномалий представляется следующим образом. Все три у- аномалии отражают деформационную активность фрагментов единой разломной зоны, которая (в её верхней части) находится в состояние субгоризонталыюго, квазистационарного растяжения. Как показывает решение обратных задач геометрические размеры и глубина залегания источников параметрических деформаций для аномалий остаются неизменными (рисунок 4), как для периода сейсмического затишья, так и для пе-

риода предвестниковых аномалий. Различается только степень разупрочнения аномалеобразующего тела.

4.2 Аномальные деформационные процессы в период подготовки землетрясения 2 марта 1992 года.

При количественном анализе и моделировании предвестниковой ситуации в период подготовки землетрясения 2 марта 1992 года, была использована модель Ю.О.Кузьмина, разработанная ранее для молодых осадочных бассейнов [Кузьмин 1990, Сидоров, Кузьмин 1989]. В рамках этой модели получены аналитические выражения для случаев, когда модельным аналогом очаговой зоны служат: сфера, бесконечный горизонтальный круговой цилиндр и ограниченный горизонтальный круговой цилиндр. Для случая эллиптического цилиндра получено распределение смещений, наклонов и деформаций численными методами.

Учитывая параметры землетрясения в качестве модельного аналога очаговой зоны был принят горизонтальный ограниченный круговой цилиндр с размерами (г = 12.5 км; 2(! =20 км), где: г - радиус цилиндра; С — полуширина его образующей. Было рассчитано распределение вертикальных и горизонтальных смещений в окрестности очаговой зоны и они были совмещены с эпицентраль-ной зоной землетрясения. Полученный результат хорошо согласуется с теми измерениями, которые были получены на стабильной части профиля, а также с горизонтальными смещениями [Зобин, Гордев, Левина и др. 1996].

Согласно модельным расчётам для землетрясения 2 марта 1992 года горизонтальные деформации на профиле могли бы достигать величин порядка 4 -5-Ю"6, а наклоны 10"6. Так как каждую из станций в отдельности можно рассматривать как длиннобазисный наклономер (база «100 м), то, переведя выявленные аномалии в безразмерные величины, можно отметить удовлетворительное совпадение модельных и натурных данных для реперов которые расположены, вне зон разрывных нарушений (пункты 1 - 4, 17-27, рисунок 1). Вместе с тем в приразломных зонах (в области локальных просадок) наклоны составляют величины 10"3 - ю-4, что соизмеримо с уровнем деформационного порога разрушений сплошных твердых тел. В качестве возможного объяснения данного парадокса можно рассматривать два варианта. Согласно первому, резкое увеличение амплитуды предвестниковой аномалии, обусловлено усиливающим эффектом разломной зоны, которая за счёт аномально низкой жесткости увели-

чивает достигающую этой зоны деформацию. Во втором варианте, усиление амплитуды предвестника происходит за счёт параметрического возбуждения современных геодинамических процессов в разломной зоне, возникающего в период подготовки землетрясений [Кузьмин 1986, 1989].

Таким образом, анализ обоих вариантов показал, что т.к. в первом варианте необходимо допустить кратковременное снижение жёсткостных характеристик в разломной зоне на уровне 2 - 3-х порядков за 5-6 месяцев, а во втором всего на 10-30%, то в качестве более вероятного механизма возникновения столь интенсивных аномалий является параметрическое возбуждение деформационных процессов в разломных зонах обусловленное процессом подготовки землетрясения, которые можно назвать параметрическими предвестниками.

В монографии [Соболев 1993] показано, что существуют три класса предвестников. Как показывают приведённые выше результаты, в период подготовки землетрясения 2 марта 1992 года на профиле одновременно проявились два класса предвестников из трёх.

Аномальные изменения вертикальных и горизонтальных смещений на уровне Ю"6 , в полном соответствии с модельными оценками, которые соответствует прямой пропорциональности между магнитудой землетрясения (М) и расстоянием от очага до пункта регистрации (Я) смещений. Кроме того, длительность предвестника соответствует прямой пропорциональности между энергией землетрясения и логарифмом времени (Т) проявления предвестников. Как следует из [Соболев 1993] всё это есть признаки предвестников первого класса.

Выявленные высокоамплитудные предвестниковые эффекты приурочены к зонам активных разрывов и, кроме того связи между М, Я и Т не достаточно чёткие. Это позволяет отнести данные аномалии к предвестникам второго класса [Соболев 1984].

Можно предложить два механизма, которые могут привести к формированию высокоамплитудных предвестников.

В рамках первого механизма предвестниковые деформации в процессе подготовки землетрясений меняют форму и размеры трещин, слагающих активизированный фрагмент разломной зоны, что приводит к дополнительному «размягчению» среды в фиксированном объёме и к появлению высокоамплитудной аномалии.

При втором механизме, активизация разломной зоны (снижение жёсткост-ных характеристик) может происходить за счёт увеличения сейсмической со-трясаемости разломной зоны в форшоковый период за 3 - 4 месяца до основного толчка (Этот факт аналогичен усилению деформационной активности трещиноватых, флюидонасыщенных сред при вибровоздействии, которые подробно описаны Ю.П.Сковородкиным [Сидоров и др. 1989])

Не исключено, что в период подготовки землетрясения 2 марта 1992 года высокоамплитудные предвестники формировались обоими механизмами одновременно.

Важно отметить, что в обоих случаях изменялись внутренние параметры среды в локализованных фрагментах разрывных зон, что позволяет трактовать выявленные предвестниковые аномалии как параметрические.

Выводы по главе 4:

1. В результате детального анализа деформационных и сейсмических процессов установлено: а), для станций расположенных в зонах разрывных нарушений характерно противофазное поведение сопоставляемых параметров, увеличению скорости деформаций соответствуют минимумы сейсмической активности и наоборот; б), имеет место синфазное поведение параметров, которое трактуются как предвестник крупного землетрясения.

2. Приведены результаты решения обратных задач современной геодинамики разломов. Наблюдённые и рассчитанные данные показывают на хорошую сходимость результатов.

3. Показано, что в периоды подготовки землетрясений наряду с обычным параметрическим возбуждением имеет место воздействие на разломную зону, как предвестниковой аномальной деформации, так и усиление сейсмической активности.

Заключение.

1).Разработана технология и проведены прецизионные повторные нивелирные наблюдения с повышенной пространственно-временной детальностью в Камчатском сейсмоактивном регионе.

2).Установлено последовательное влияние различных этапов существующей технологии нивелирования на уровень случайной ошибки измерений.

3).Выявлены аномальные предвестниковые деформации, которые за одинаковый интервал времени имеют амплитуду 10"' - 10"* в зоне разрывного на-

рушения и 10"5 - 10"6 в консолидированной части профиля соответственно.

4).Получены два типа взаимосвязи между современными деформационными и сейсмическими процессами. Прямой, когда увеличению интенсивности деформационных процессов соответствует увеличение сейсмичности завершаемое сильным землетрясением. Обратный, когда в периоды понижения сейсмической активности и сейсмических затиший происходит деформационная активизация разрывных нарушений, пересекаемых нивелирным профилем.

5).Предложен механизм формирования аномальных деформационных процессов в период подготовки землетрясения 2 марта 1992 года.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1) Лакотко М.И., Сапрыкин А.В., Чуриков В.А., "Результаты и особенности круглогодичного нивелирования в связи с поиском предвестников землетрясения на восточном побережье Камчатки", В кн.: Прогноз землетрясений, Геодезические методы исследований, Душанбе-Москва, Дониш, 1989, №11, с.220-233.

2) Викулин А.В., 11уриков В.А., "Сопоставление результатов нивелирования в районе г. Петропавловска-Камчатского с сейсмологическими данными", IX Научная сессия Дальневосточной секции МСССС: "Количественная оценка сейсмической опасности на Дальнем Востоке", Южно-Сахалинск, 1991, Тезисы докладов, с.43.

3) Churikov V. A. "The Relationship Among Vertical Movements, Seismic Holes and Aseismic Deformations", 29th International Geological Congress, Kyoto, Japan, 1992, Abstracts, 1992, vol.3, p.929.

4) Churikov V. A. "Aseismic Deformations Discovered From Geodetic Measurements in Kamchatka's Subduction Zone", IASPEI, 27 General Assembly, Wellington, New Zealand, 1994, Abstracts, S8-32.

5) Churikov V. A. "There is Comparison Between The Results of High-Precision Leveling and Seismic Activity of Kamchatka's Subduction Zone", 1st International Symposium on Deformations in Turkey, Istanbul, 1994, Abstracts, p. 109.

6) Churikov V. A. "There is comparison between the results of high-precision leveling and seismic activity of Kamchatka's subduction zone", Proceedings of 1STANBUL-94 1st Turkish International Symposium on Deformations, September 59, Published by TMMOB-HKMO, Chamber of Surveying Engineers, Ankara, Turkey,

1995, pp. 983-990.

7) Churikov V. A. "Rapid vertical deformations occur during seismic gaps in Kamchatka", XX General Assembly of the EGS, Germany, Hamburg, 1995. Annates Geophysicae, Supplement I to Volume 13, page C 177.

8) Kuzmin Yu. O., Churikov V. A., "A study of the correlation between deformation and seismic processes in fault zone", XX General Assembly of the EGS, Germany, Hamburg, 1995, Annates Geophysicae, Supplement I to Volume 13, page C

9) Churikov V. A., "Study of Vertical Deformations During Seismic Gaps on Kamchatka". Abstract of the XXI General Assembly of the IUGG, Bolder, Colorado, USA, 1995, v.A, p. A42.

10) Churikov V. A., "Studying of vertical deformations near Avachinsky volcano in Kamchatka, Russia". Colima Volcano: 5th International Meeting, Colima, Mexico, Abstract, 1996.

11) Churikov V. A., "Results of multiple repeated high-precision vertical geodetic observations with great detail in time and space in tectonic active zone of Kamchatka, Russia", XXI General Assembly of the EGS, Netherlands, Hague, 1996, Annates Geophysicae, Supplement I to Volume 14, page С 89.

12) Churikov V. A., Kuzmin Yu. O., "Results of a detailed and high-precision leveling in volcanic and seismic zone of Kamchatka, Russia", IAVCEI General Assembly 1997, Mexico, Puerto-Vallarta, 1997, Book of Abstracts, p. 126.

13) Churikov V. A., Kuzmin Yu. O., "Relation between deformation and seismicity in the active fault zone of Kamchatka, Russia.", Geophysical Journal International, в печати, принята к публикации 19.11.97.

179.