Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Кинематика микроплит в Северо-Восточной Азии

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Кинематика микроплит в Северо-Восточной Азии"

На правах рукописи

ГАБСАТАРОВ Юрий Владимирович

КИНЕМАТИКА МИКРОПЛИТ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ АЗИИ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

2 3 СЕН. ¿015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2015 00556/^'

005562421

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: Богомолов Леонид Михайлович,

доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук, заместитель директора по научной работе, ведущий научный сотрудник лаборатории сейсмологии

Кафтан Владимир Иванович,

доктор технических наук,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук, главный научный сотрудник лаборатории геодинамики

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Защита состоится 19 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 Олегу Григорьевичу Онищенко.

Автореферат разослан « 09» ШГЛ&Я 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

О.Г. Онищенко

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Согласно постулатам тектоники плит, лежащей в основе современной глобальной геодинамической концепции, тектоническая активность Земли обусловлена в основном горизонтальным перемещением крупных сегментов литосферы и их взаимодействием друг с другом. Интенсивность сейсмической и вулканической активности вблизи границ взаимодействующих литосферных плит определяется как типом самой границы (дивергентная, конвергентная или трансформная), так и скоростью относительного перемещения соответствующих плит.

Первые глобальные тектонические модели, определяющие параметры относительного движения и границы крупнейших плит, основывались на данных о скорости спрединга дна океанов, полученных из исследований полосовых магнитных аномалий, и данных об ориентации океанических трансформных разломов, полученных по сейсмологическим данным. Недостаточность и осредненный характер данных, использованных для построения первых тектонических моделей, обусловили малое число выделенных плит (5-6) и низкую точность полученных скоростей относительных перемещений. В дальнейшем, глобальные тектонические модели претерпели значительное развитие за счет увеличения количества и повышения точности используемых данных, а также привлечения информации о направлении подвижек в очагах субдукционных землетрясений, что позволило увеличить ансамбль выделяемых плит до 16 в общепринятой геологической модели ЫиУЕЬ-1А. Однако предпринятые усилия не позволили преодолеть основные недостатки геологических моделей, такие как осредненность скоростей взаимных перемещений плит за несколько млн. лет и их относительный характер, а также невозможность прямого моделирования взаимного движения плит, не имеющих общих границ.

Дальнейшее совершенствование плитнотектонических построений связано с развитием методов космической геодезии, позволяющих получать высокоточные координаты точек земной поверхности посредством наблюдения за удаленными космическими объектами. Использование методов космической геодезии позволяет производить прямые измерения современных движений земной поверхности, обусловленных как современными движениями литосферных плит, так и

деформационными процессами, возникающими вблизи их границ. Кроме того, совместный анализ данных радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), квантово-оптических систем (КОС), допплеровской орбитографии (DORIS) и глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) позволил построить физическую реализацию земной системы отсчета, приемлемой в качестве общеземной неподвижной основы, в рамках которой стало возможным исследование абсолютных перемещений литосферных плит.

Первые исследования кинематики литосферных плит, проведенные с использованием данных РСДБ-, КОС- и ГНСС-наблюдений, показали в целом хорошее согласие между геодезическими моделями, описывающими современные тектонические движения, и геологическими моделями, отражающими движения, осредненные за несколько млн. лет, как по величине скоростей перемещения литосферных плит, так и по расположению их границ. Однако дальнейшее исследование данных станций сетей ГНСС-наблюдений, развернутых в труднодоступных тектонически активных регионах Земли, показало наличие небольших смещений земной поверхности, которые не могут быть объяснены с помощью существующих геолого-геодезических моделей. Попытка объяснить наблюдаемые с помощью методов космической геодезии тектонические движения снова подняла вопрос о степени фрагментированности жесткой оболочки Земли. С одной стороны, данные движения могут быть объяснены пластическими деформациями, возникающими вследствие взаимодействия крупных литосферных плит, но, в таком случае, нарушается постулат тектоники плит о жесткости литосферы и сосредоточенности деформационных процессов в узких пограничных поясах. Другое объяснение предполагает существование на границах крупных плит более мелких литосферных блоков — микроплит, обладающих собственной кинематикой.

Одним из таких неизученных с точки зрения геодинамики регионов является Северо-Восточная Азия, в которой, по мнению ряда авторов, может существовать ряд микроплит. Подробный геодинамический анализ Северо-Восточной Азии, предполагающий выделение всех существующих литосферных блоков и определение их кинематики, необходим для построения корректной геодинамической модели региона, а также решения задач изучения геодинамического режима и прогнозировании сейсмической опасности региона.

Целью данной работы является исследование кинематики микроплит в Северо-Восточной Азии и установление их границ на основе данных космической геодезии.

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

1. Произвести обоснованный отбор пунктов ГНСС-наблюдений, необходимых для установления параметров движения исследуемых микроплит.

2. Произвести обработку первичных ГНСС-измерений с формированием временных рядов оценок координат ГНСС-станций, отражающих их перемещение во времени.

3. Разработать подход, позволяющий выделить стационарную компоненту смещения пунктов ГНСС-наблюдений, для станций, располагающихся вблизи тектонически активных границ литосферных блоков.

4. Реализовать учет сложной стохастической природы ГНСС-измерений для построения корректной модели ошибок координат ГНСС-станций.

5. Определить возможные варианты расположения границ исследуемых микроплит и особенности межплитового взаимодействия вдоль них на основе геологических, сейсмологических и геодезических данных.

6. Определить параметры движения исследуемых микроплит с учетом деформационных процессов, происходящих на их границах.

7. Проанализировать применимость полученных в работе результатов для уточнения геодинамической модели региона Северо-Восточной Азии.

Научная новизна. В настоящей диссертационной работе разработан метод изучения кинематики микроплит на основе данных космической геодезии, особенностями которого являются корректная подготовка исходных данных, реализованная посредством регрессионного анализа временных рядов ГНСС-измерений, и учет краевых деформационных эффектов, вызванных взаимодействием с окружающими литосферными блоками.

В рамках этапа подготовки данных осуществляется учет стохастической природы ГНСС-измерений, что позволяет получить корректную высокоточную оценку стационарных скоростей смещений станций наблюдения. Кроме того,

особенностями предложенной методики обработки исходных данных являются: 1) автоматизированное определение моментов времени косейсмических смещений, основанное на расчетах деформации земной поверхности по модели дислокации в однородном упругом изотропном полупространстве; 2) возможность моделирования переходных постсейсмических процессов, сопровождающих крупные землетрясения.

Предложенная методология была использована для определения кинематики Беринговой и Охотской микроплит с учетом различных вариантов расположения границ исследуемых литосферных блоков, предложенных на основе геологических, сейсмологических и геодезических данных. Статистический и геодинамический анализ полученных результатов позволил подтвердить значимость полученных результатов и выявить наиболее вероятный вариант расположения границ микроплит.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Задача определения кинематики литосферных микроплит по спутниковым геодезическим данным допускает математически обоснованное решение в рамках модели, корректно учитывающей пограничные деформационные процессы.

2. Корректный регрессионный анализ позволяет на высоком доверительном уровне выделять во временных рядах смещений спутниковых геодезических станций проявления различных тектонических процессов, в частности, современные движения плит и микроплит в целом, а также деформирование их границ в ходе сейсмического цикла.

3. По имеющимся спутниковым геодезическим данным определена современная кинематика Беринговой микроплиты, которая статистически значимо отличается от кинематики смежной Североамериканской плиты. Кроме того, оценено наиболее вероятное положение границ Беринговой микроплиты.

4. Анализ смещений вдоль восточной границы Охотоморской микроплиты показал необходимость уточнения представлений о геодинамическом режиме данного региона и выделения дополнительного блока в его южной части.

Практическая значимость. Полученные автором результаты исследования кинематики Беринговой и Охотской микроплит могут быть использованы для

уточнения геодинамической модели Северо-Восточной Азии, что, в свою очередь, играет важную роль в задачах изучения геодинамического режима и прогнозирования сейсмической опасности данного региона.

Предложенная в диссертации методология регрессионного анализа временных рядов ГНСС-измерений полностью автоматизирована и может быть использована для работы с данными постоянных станций ГНСС-наблюдений, расположенных как в стабильных частях литосферных плит, так и в деформируемых пограничных регионах. Полученные в результате применения данного алгоритма компоненты смещения станций могут широко использоваться в задачах изучения особенностей протекания сейсмического цикла и моделирования деформации земной коры в тектонически активных регионах.

Достоверность представленных в диссертации результатов обеспечивается обоснованностью подбора и корректностью обработки исходных экспериментальных данных, а также выбором адекватных математических моделей исследуемых процессов. Надежность выполненных расчетов обеспечивается устойчивостью численных методов, используемых при решении поставленных задач. Достоверность полученных кинематических моделей Беринговой и Охотской микроплит подтверждается статистическим анализом полученных результатов с определением их значимости и сравнением найденных параметров движения с аналогичными оценками, полученными в опубликованных ранее исследованиях.

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 данных ГНСС-измерений станций Чукотской, Сахалинской, Камчатской и Курильской геодинамических сетей, а, также, станций континентальных сегментов глобальных сетей: NEDA (North Eurasia Deformation Array) и PBO (Plate Boundary Observatory).

3. Реализация в виде комплекса подпрограмм математически обоснованного алгоритма регрессионного анализа временных рядов ГНСС-измерений с целью выделения отдельных компонент смещения станций.

4. Расчет кинематики Беринговой и Охотской микроплит и определение

наиболее вероятного расположения границ данных блоков.

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, 2013, 2014); 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, 11-05-00871-а и 12-05-00711-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 174 страницы машинописного текста (без приложений), включая 54 рисунка и 14 таблиц. Список литературы содержит 183 библиографических наименования.

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

В первой главе приводится обзор исторического развития геотектонических представлений и современных методов изучения кинематики литосферных плит. Кроме того, рассматриваются особенности геодинамической модели региона Северо-Восточной Азии.

Целостность крупнейших литосферных плит вблизи границ их взаимодействия остается одним из наиболее дискуссионных вопросов в тектонике плит. Возможность окончательного решения данного вопроса связана с развитием методов космической геодезии, преимуществом которых является возможность измерения расстояний между точками земной поверхности, удаленных друг от друга на тысячи километров, с миллиметровой точностью.

Использование спутниково-геодезических измерений, в особенности данных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, позволяет организовать непрерывный мониторинг как современных крупномасштабных тектонических движений, связанных с перемещением литосферных плит, так и геодинамических процессов, протекающих в тектонически активных регионах Земли. Одним из таких регионов является Северо-Восточная Азия, динамика которой, по данным общепринятой геологической модели NUVEL-1A, определяемся взаимодействием Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской литосферных плит. В то же время, современные геологические, сейсмологические и спутниково-геодезические данные свидетельствуют о существовании в Северо-Восточной Азии вдоль конвергентных границ литосферных плит широкой пограничной зоны, представленной набором независимо вращающихся микроплит, крупнейшими из которых являются Амурская, Охотская и Берингова. Таким образом, для корректной интерпретации геодинамических процессов, протекающих в Северо-Восточной Азии, необходимо построение кинематических моделей всего ансамбля взаимодействующих литосферных плит.

Во второй главе описана методология ГНСС-измерений, обуславливающая высокую точность определения координат точек земной поверхности. Отдельно

рассмотрен алгоритм регрессионного анализа временных рядов оценок координат, позволяющий выделить компоненты смещения станций с учетом корректной стохастической модели ГНСС-измерений. Кроме того, приводится подробный обзор методов изучения кинематики как крупных литосферных плит, так и более мелких блоков на основе геолого-геофизических и геодезических данных.

Математическое описание мгновенного движения абсолютно жесткой литосферной плиты опирается на теорему Эйлера, согласно которой мгновенное движение литосферной плиты как сферического сегмента земной поверхности можно представить в виде вращения вокруг некоторой оси, проходящей через центр масс Земли. В таком случае, для всех точек земной поверхности, расположенных в пределах границ данной плиты и имеющих координаты Л, =(Х1,Уп21) должно

выполняться соотношение, связывающее скорости их смещения ^ = (Кл!, Уу, VI) и трехкомпонентный вектор Эйлера □, описывающий вращение данной плиты:

Т: = ПхЯ: (1)

В результате построение кинематической модели современного абсолютного движения литосферного блока сводится к решению уравнения (1) и отысканию искомого вектора Эйлера О по имеющимся спутниково-геодезическим наблюдениям координат Я, и скоростей К,-.

Микроплиты представляют собой относительно небольшие литосферные блоки, расположенные в пределах пограничных поясов конвергентных границ более крупных сегментов литосферы. Это обуславливает значительную выраженность внутриплитных деформационных процессов, вызванных взаимодействием с окружающими литосферными блоками, практически по всей территории исследуемой микроплиты. Таким образом, при построении модели движения микроплиты необходимо использовать модифицированное уравнение (1), учитывающее одновременно вращение микроплиты как жесткого целого и действие краевых деформационных процессов:

(2)

В результате для построения корректной кинематической модели микроплиты

необходима разработка и применение особых подходов к обработке и

10

интерпретации исходных спутниково-геодезических измерений, отличных от использовавшихся ранее для изучения кинематики крупных литосферных плит.

Построение кинематических моделей Беринговой и Охотской микроплит в данной работе основывается на применении блокового подхода, при котором микроплита рассматривается как целостный литосферный блок, отделенный от окружающих блоков разломами. Такой подход позволяет за счет прямого моделирования деформационной составляющей скоростей смещения станций по модели дислокации в однородном упругом изотропном полупространстве построить физически и математически обоснованную кинематическую модель исследуемой микроплиты, корректно учитывающую пограничные деформационные эффекты. Методология блокового моделирования используемая в данной работе реализована в свободно доступном программном пакете ОЕРЫООЕ.

Обработка исходных спутниково-геодезических измерений в данной работе основывается на регрессионном анализе временных рядов высокоточных координат пунктов наблюдений, который позволяет математически обоснованно выделять компоненты смещения этих пунктов, отражающих перемещение микроплиты как целостного блока и действие различных деформационных процессов. В общем случае, любая из трех компонент движения станции ГНСС-наблюдений может быть представлена в виде:

у(!1)=а + Ы< + сзт(2яГ/)+^«в(2лГ,)+е5т(4яГ,)+ /СОБ(4л?,)+¿gJя(í, -Г(,')+

7=1

+ £/»,я(/,-Г,')+£*,//(',■-ТМтГ -О-'. + -Т/)+ (3)

1-1 1-1 1=1

+ ¿/7, ехр(-(г, - Г/)/г,И -т;)+е,

м

В уравнении (3) Н — ступенчатая функция Хевисайда; , ¡ = \..Ы — моменты времени, в которые было измерено положение станции; а— координата станции в некоторый начальный момент времени; Ъ - линейная скорость перемещения станции; с и с1 описывают годовую периодическую компоненту; е и У -полугодовую. Коэффициенты и определяют мгновенные скачкообразные

изменения положения станции в моменты и 7J/ , вызванные сменой аппаратного (или программного) обеспечения станции или произошедшие во время сейсмических событий соответственно. Коэффициенты kj отвечают за возможные изменения линейной скорости движения станции, произошедшие после сейсмических событий Г/ вследствие изменения напряженно-деформированного состояния среды. Коэффициенты /, и rrij определяют действие процесса асейсмического фрикционного развития сейсморазрыва. Коэффициенты р, и г> характеризуют эффект, вызванный процессом вязкоупругой релаксации в верхней мантии и астеносфере. Искомая оценка параметров регрессионной модели

х = [a b с d е f g h к I р\ может быть получена с учетом ковариационной матрицы ошибок измерений £, с помощью взвешенного метода наименьших квадратов:

х={атс:1АУАтс;'у (4)

Третья глава посвящена исследованию кинематики Беринговой микроплиты. Дано описание исторического развития представлений о существовании данной микроплиты и приведены результаты моделирования ее кинематики с учетом процессов пограничного деформирования для различных вариантов расположения границ блока.

Берингова микроплита представляет собой предполагаемый литосферный блок в Северо-Восточной Азии, включающий в себя акваторию Берингова моря, территории Западной Аляски, Восточной Чукотки и архипелаги Алеутских и Командорских островов (рис. 1). Микроплита откололась от Североамериканской литосферной плиты (NAM) несколько миллионов лет назад вследствие активного взаимодействия между Североамериканской и Тихоокеанской (РАС) литосферными плитами. Независимое вращение Беринговой микроплиты обусловлено, по мнению ряда авторов, движением Южно-Аляскинского блока (SOAK), причиной движения которого, в свою очередь, является субдукция террейна Якутат под Североамериканскую литосферную плиту. Большая часть рассматриваемой

микроплиты покрыта водами Берингова моря, что затрудняет исследование кинематики данного литосферного блока по спутниково-геодезическим данным.

В рамках исследования кинематики Беринговой микроплиты было построено 9 моделей (табл. 1), основанных на 3 вариантах расположения границ микроплиты (рис. 1), предложенных на основе доступных геолого-геофизических и спутниково-геодезических данных, и различном выборе опорных станций, представляющих движение Беринговой микроплиты как целостного блока. Параметры, определяющие вращение Беринговой микроплиты относительно Североамериканской литосферной плиты, были оценены для каждой из представленных моделей на основе методологии блокового моделирования. Выбор наилучшей кинематической модели Беринговой микроплиты и оптимального расположения ее границ проводился в рамках процедуры оценки статистической значимости полученных результатов с использованием критерия Фишера (критическое значение статистики Фишера для уровня значимости а=0.01 составляет .Р001(9,62) = 2.7079 ). В результате в качестве наилучшей модели была принята модель НЦ (табл. 1).

s М s

Рис. 1. Границы предполагаемых литосферных блоков в Беринговоморском регионе. Расположение трех вариантов границы Беринговой микроплиты показано сплошными линиями синего, красного и желтого цвета. Штриховыми линиями показаны границы Командорского блока (КОМ) и блока Южной Аляски (SOAK). Кружками показаны эпицентры сейсмических событий региона по данным каталога NEIC (красные) и каталога «Землетрясения России» ГС РАН (фиолетовые).

Табл. 1. Сравнение параметров вращения Беринговой микроплиты относительно Североамериканской литосферной плиты в рамках различных моделей.

Широта полюса Эйлера Долгота полюса Эйлера П,угл. скорость вращения, °/млн. лет "а, °/млн. лет Значение статистики Фишера Кол-во опорных станций Область охвата границ Условное название модели

60.90° N 176.85° Е -0.2034 0.0373 16.94 24 Средняя НЦ

63.83° N 191.27° Е -0.3894 0.0149 5.13 31 Средняя НЦА

64.03° N 183.09° Е -0.2101 0.0199 6.66 29 Средняя НЦАК

60.94° N 176.57° Е -0.1994 0.0308 14.69 21 Малая МЦ

63.70° N 192.50° Е -0.4377 0.0157 5.31 28 Малая МЦА

63.77° N 187.20° Е -0.2910 0.0200 7.59 26 Малая МЦАК

57.33° N 165.51° Е -0.1156 0.0322 14.81 27 Большая БЦ

63.77° N 189.24° Е -0.3275 0.0123 6.58 34 Большая БЦА

63.95° N 183.71° Е -0.2103 0.0199 6.98 32 Большая БЦАК

Сравнение полученных результатов с опубликованными в предыдущих работах моделями показало в целом хорошее согласие по расположению полюса Эйлера, величине угловой скорости и направлению вращения Беринговой микроплиты. В то же время, полученные в данной работе модели в большей степени основаны на данных станций постоянных измерений, при этом оценки скорости смещения станций производились с помощью методологии регрессионного анализа, что особенно актуально в подобном тектонически активном регионе. Анализ полученных при построении модели НЦ невязок (рис. 2) демонстрирует хорошее согласие измеренных спутниково-геодезических данных и модельных скоростей смещений для всех регионов Беринговой микроплиты, кроме района Командорских и западных Ближних островов, что подтверждает обоснованность выделения Беринговой микроплиты. Попытка использовать в моделях НЦА, МЦА и БЦА станции ВИЖ} и АС60, расположенные на о. Беринг (Командорские о-ва) и о. Шемья (Ближние о-ва), в качестве определяющих движение Беринговой микроплиты, приводит к существенному увеличению невязок во внутренней части микроплиты при незначительном уменьшении невязок для станций в западной части Алеутской островной дуги. Таким образом, анализ полученных невязок позволяет сделать вывод о принадлежности восточной части Алеутской островной дуги Беринговой микроплите и наличии существенных различий между моделью движения микроплиты и смещением западной части Алеутской островной дуги.

Построенная кинематическая модель вращения Беринговой микроплиты позволяет определить направления и величины векторов относительного движения плит вдоль плоскости разломов, ограничивающих микроплиту (рис. 3). Направления

14

данных векторов на всех участках предложенной границы хорошо согласуются с доминирующим типом фокальных механизмов землетрясений, что позволяет говорить о корректности построенной модели в геодинамическом смысле.

Рис. 2. Сравнение невязок для модели НЦ (желтые стрелки) с исходными спутниково-геодезическими измерениями (красные стрелки).

- 50 мм'год ^ попюс Эйпера BER.NAM

^п . 5 мм.'год —. - 5 мм/год

Рис. 3. Скорости относительных перемещений литосферных плит на границах Беринговой микроплиты (красные стрелки - BER относительно NAM, зеленые стрелки - РАС относительно BER) и скорость вращения Беринговой микроплиты относительно NAM (желтые стрелки).

15

Кроме того, построенная кинематическая модель Беринговой микроплиты позволила исследовать скорость смещения Алеутской островной дуги относительно внутренних областей микроплиты. Результаты сопоставления полученной величины скорости смещения дуги в районе о. Беринг с величиной тангенциальной составляющей вектора скорости относительного перемещения Тихоокеанской литосферной плиты в районе данного острова свидетельствуют в пользу существовании независимого Командорского (КОМ) блока (рис. 1), прослеживаемого по геологическим и сейсмологическим данным.

В четвертой главе проводится исследование кинематики Охотской микроплиты на основе новых спутниково-геодезических данных. В главе приведен краткий обзор предшествующих исследований кинематики данного тектонического блока и дано описание существующих в регионе сетей ГНСС-измерений. Отдельно рассмотрен вопрос о проведении границ микроплиты на основе доступных геолого-геофизических и геодезических данных. Приведены результаты моделирования кинематики Охотской микроплиты на основе данных космической геодезии с учетом процессов пограничного деформирования для различных вариантов расположения границ блока.

Охотская микроплита включает в себя большую часть Охотского моря, п-ов Камчатка, северо-западное Приохотье, Курильские о-ва и часть о-вов Сахалин и Хоккайдо (рис. 4). Независимое вращение микроплиты, возраст которой составляет 1-5 млн. лет, обусловлено конвергенцией Евразийской (EUR) и Североамериканской литосферных плит, что, по мнению ряда авторов, приводит к экструзии исследуемого блока в юго-восточном направлении.

На основе анализа современных геологических, сейсмологических и спутниково-геодезических данных в предшествующих исследованиях было предложено два варианта расположения границ Охотской микроплиты: «малая» модель, в случае которой допускается независимое вращение южной оконечности микроплиты - блока Северного Хонсю (NHSU), и «большая» модель, в которой данный блок входит в состав Охотской микроплиты (рис. 4). В рамках исследования кинематики Охотской микроплиты в данной работе было построено 4 модели, основанных на 2 вариантах расположения границ микроплиты и различном выборе опорных станций, представляющих ее движение как целостного блока (табл. 2, в

условных названиях рассмотренных моделей первая буква означает область охвата границ микроплиты: «М» — малая и «Б» — большая).

Параметры, определяющие вращение Охотской микроплиты относительно Североамериканской литосферной плиты, были оценены для каждой из представленных моделей на основе методологии блокового моделирования. Выбор наилучшей кинематической модели Охотской микроплиты и оптимального расположения ее границ проводился в рамках процедуры оценки статистической значимости полученных результатов с использованием критерия Фишера (критическое значение статистики Фишера для уровня значимости а=0.01 и случая двух дополнительных тектонических блоков составляет /*001(30>83) = 1.9344 ) при условии достижения минимума статистики Хи-квадрат. В результате в качестве наилучшей модели была принята модель МБК (табл. 2), в которой рассматривается независимое движение Охотской микроплиты и блока Северного Хонсю.

^ « ? 8 I

Я

Рис. 4. Границы предполагаемых литосферных блоков в Охотоморском регионе. Границы «малой» модели Охотской микроплиты (ОКН) показаны сплошной линией синего цвета. Желтым цветом показаны границы тектонического блока Северного Хонсю (ЫН8и), который входит в состав «большой» модели Охотской микроплиты. Штриховой линией показана граница ЮжноКурильского тектонического блока (БКВ). Кружками показаны эпицентры сейсмических событий региона по данным каталога ЫЕ1С (красные) и каталога «Землетрясения России» ГС РАН (фиолетовые).

Сравнение полученных результатов с опубликованными в предыдущих работах моделями выявило различия, как в положении полюса Эйлера, так и в скорости вращения Охотской микроплиты. Подобные различия могут быть обусловлены выбором станций наблюдения, использующихся для построения кинематических моделей, а также разной конфигурацией границ, предполагаемой при исследовании микроплиты.

Сравнение исходных спутниково-геодезических измерений и невязок, полученных при построении наилучшей кинематической модели Охотской микроплиты (рис. 5), демонстрирует, что ее введение улучшает согласие между модельными и экспериментальными данными для всех областей исследуемой микроплиты, кроме Сахалина и Северного Приохотья, что подтверждает обоснованность выделения Охотской микроплиты. Увеличение невязки для о. Сахалин может быть связано с недостаточной точностью используемой модели Амурской микроплиты (AMU) или более сложной конфигурацией данного сегмента границы. Увеличение невязки для станций в Магаданской области объясняется существованием в данной области ансамбля небольших блоков земной коры, движение которых не может быть объяснено в рамках модели жесткой микроплиты с пограничным деформированием.

Табл. 2. Сравнение параметров вращения Охотской микроплиты относительно Североамериканской литосферной плиты в рамках различных моделей.

Широта полюса Эйлера Долгота полюса Эйлера П, угл. скорость вращения, °/илн. лет «то, °/млн. лет Значение статистики Фишера Значение статистики Хи-квадрат Кол-во опорных станций Условное название модели

62.65° N 176.93° Е -0.4469 0.0092 1.37 166.60 39 МК

53.58° N 266.89° Е -0.1163 0.0086 2.43 112.60 36 МБК

65.51° N 236.77° Е -0.1846 0.0054 3.79 194.34 56 БК

61.37° N 258.45° Е -0.1307 0.0051 5.75 151.77 53 ББК

Построенные кинематические модели Охотской микроплиты и блока

Северного Хонсю позволяют определить направления и величины векторов

относительного движения плит вдоль плоскости разломов, ограничивающих данные

блоки (рис. 6). Направления данных векторов на всех участках предложенной

границы показывают хорошее согласие с ориентацией нодальных плоскостей в

очагах землетрясений, характерных для каждого из сегментов границы Охотской

микроплиты и блока Северного Хонсю, что позволяет говорить о корректности

построенной модели в геодинамическом смысле.

18

Результаты оценки скорости смещения Курильской дуги в районе о. Шикотан и о. Кунашир и их сравнение с величинами тангенциальной составляющей вектора скорости относительного перемещения Тихоокеанской литосферной плиты в районе этих островов, позволяют трактовать измеренные скорости как результат упругого деформирования края Охотской микроплиты без привлечения дополнительного Южно-Курильского (8КВ) блока (рис. 4), гипотеза о существовании которого выдвигалась ранее на основе геолого-геофизических данных.

Независимо построенные кинематические модели Охотской и Беринговой микроплит хорошо согласуются, что подтверждается результатом сравнения направления относительного перемещения вдоль их общей границы и доминирующего на этом участке типа механизмов очагов землетрясений.

¿15®.

-10 мм/год

Рис. 5. Сравнение невязок для модели МБК (желтые стрелки) с исходными спутниково-геодезическими измерениями (красные стрелки).

Рис. 6. Величины и направления взаимных перемещений литосферных плит (красные и зеленые стрелки) на границах Охотской микроплиты (ОК.Н) и блока Северного Хонсю (NHSU) и скорость вращения (желтые стрелки) указанных блоков относительно Североамериканской

литосферной плиты (NAM).

Заключение

Современные спутниково-геодезические измерения в тектонически активных регионах свидетельствуют о существовании вдоль конвергентных границ крупнейших литосферных плит широких зон, состоящих из микроплит — целостных тектонических блоков меньшего размера, обладающих собственной кинематикой. Одним из таких регионов является Северо-Восточная Азия, в которой, по мнению ряда авторов, могут существовать несколько микроплит, к наиболее крупным из которых относятся Берингова, Охотская и Амурская.

В данной диссертационной работе предложен подход к изучению кинематики микроплит на основе данных космической геодезии, особенностями которого являются: 1) применение методологии блокового моделирования, которая позволяет корректно учитывать краевые деформационные эффекты, вызванные взаимодействием с окружающими литосферными блоками; 2) особый алгоритм обработки данных постоянных станций спутниково-геодезических наблюдений, который позволяет получать математически обоснованные оценки компонент смещения станций в тектонически активных регионах. Алгоритм обработки данных основан на регрессионном анализе временных рядов высокоточных координат станций ГНСС-наблюдений и позволяет повысить точность оценки линейной компоненты смещения этих станций за счет корректного учета стохастической природы измерений, сезонной компоненты смещения, а также действия сейсмических и постсейсмических процессов.

Предложенный подход, в совокупности с процедурами статистического и геодинамического анализа полученных результатов, позволяет получить физически и математически обоснованное решение задачи об определении кинематики литосферных микроплит. Данная методология была использована для определения кинематики Беринговой и Охотской микроплит с учетом различных вариантов расположения границ исследуемых литосферных блоков, предложенных на основе геолого-геофизических и геодезических данных. Статистический и геодинамический анализ полученных результатов позволил подтвердить значимость, геодинамическую обоснованность и согласованность полученных кинематических моделей и выявить наиболее вероятный вариант расположения границ предполагаемых микроплит. В рамках исследования кинематики Охотской

микроплиты удалось показать наличие независимого вращения ее южной оконечности - блока Северного Хонсю и определить параметры его современного движения.

Кроме того, построенные кинематические модели микроплит позволили выявить участки земной поверхности, тектонические движения в которых отличаются как от модели движения крупнейших литосферных плит региона, так и от модели движения выявленных микроплит. Тектоническое строение данных областей представлено либо ансамблем мелких тектонических блоков, образующих сильно деформированную область между границей микроплиты и ее стабильной частью, либо наличием целостного тектонического блока небольшого размера, отколовшегося от материнской микроплиты. Существование подобных областей обусловлено высокой активностью конвергентных границ крупнейших литосферных плит региона: Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской.

Полученные автором результаты исследования кинематики Беринговой и Охотской микроплит могут быть использованы для уточнения геодинамической модели Северо-Восточной Азии, что, в свою очередь, играет важную роль для изучения геодинамического режима и прогнозировании сейсмической опасности данного региона.

Публикации автора по теме диссертации

Статьи в периодических издаинях, рекомендованных ВАК:

1. Габсатаров Ю.В., Стеблов Г.М., Фролов Д.И. Результаты новых GPS-наблюдений в области Беринговой микроплиты // Физика Земли. - 2013. - №2. - С. 1-5.

2. Адушкин В В., Санина И.А., Владимирова И.С., 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 И.С., 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. Steblov G.M., EkstromG., KoganM.G., Freymueller J.T., TitkovN.N., Vasilenko N.F., Nettles F., Gabsatarov Y.V., Prytkov A.S., Frolov D.I., Kondratyev M.N. First geodetic observations of a deep earthquake: The 2013 Sea of Okhotsk MW 8.3, 611 km-deep, event // Geophys. Res. Lett. - 2014. - Vol. 41. - N. 11. - P. 3826-3832.

Публикации в прочих изданиях:

5. Kogan M.G., Frolov D.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. Габсатаров Ю.В. Анализ существования Беринговой микроплиты по данным космической геодезии. // XI Уральская молодежная научная школа по геофизике. Сборник докладов. -Екатеринбург: ИГф УрО РАН, 2010. - С. 66-70.

7. Габсатаров Ю.В., Стеблов Г.М., Фролов Д.И. Выявление Беринговой микроплиты по данным GPS. // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: тезисы докладов 8-й Международной школы-семинара. - М.: ИФЗ РАН, 2010. - С. 30.

8. О'Flaherty J.N., Gabsatarov Y.V., SteblovG.M., Frolov D.I., Kogan M.G., Freymueller J.T. The Bering plate from elastic block modeling of GPS data // Eos Trans. AGU, Fall Meet. Suppl. -2011. Abstract G13B-01.

9. Габсатаров Ю.В. Анализ деформационных процессов в литосфере по геодезическим наблюдениям // Материалы шестой международной сейсмологической школы. — Обнинск: ГС РАН, 2011.-С. 101-106.

10. Габсатаров Ю.В. Анализ деформационных процессов в литосфере по геодезическим наблюдениям // Материалы второй молодежной тектонофизической школы-семинара. -М.: ИФЗ РАН, 2011.-Т. 1. - С. 48-53.

11. Габсатаров Ю.В. Вариации скорости деформирования земной коры в тектонически активных регионах // Материалы третьей тектонофизической конференции. - М.: ИФЗ РАН, 2012.-Т. 1.-С. 150-153.

12. Gabsatarov Yu.V. Analysis of deformation processes in the lithosphere from geodetic measurements based on the example of the San Andreas fault // Geodynamics & Tectonophysics. - 2012. - V. 3. -N. 3. - P. 275-287.

13. SteblovG.M., Kogan M.G., Freymueller J.T., TitkovN.N., Ekstrom G., Gabsatarov Y.V., Vasilenko N.F., Nettles M., PrytkovA.S., Frolov D.I. The size and rupture of the great 2013 deep-focus earthquake beneath the sea of Okhotsk: Constraints from GPS // Eos Trans. AGU, Fall Meet. Suppl. - 2013. Abstract G23B-0782.

14. KoganM.G., FrolovD.I., TitkovN., SteblovG.M., VasilenkoN.F., FreymuellerJ.T., Prytkov A.S., Ekstrom G., Gabsatarov Y. Plate coupling and strain of the Far Western Aleutian Arc modeled from GPS data // Eos Trans. AGU, Fall Meet. Suppl. - 2014. Abstract G13B-03.

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 19.06.2015 Объем: 1,0 усл. печ. л. Тираж: 100 шт. Заказ № 147 Отпечатано в типографии «Реглет» 125009, г. Москва, Страстной бульвар, д. 4 +7(495)978-43-34; www.reglet.ru