Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Островные дуги и шельфы

ВАК РФ 04.00.10, Геология океанов и морей

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Кузин, Иван Петрович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П. П. ШИРШОВА

Р О ^ ^ На прррШ рукописи

■Л

ьР

0.34.016

ОСТРОВНЫЕ ДУГИ И ШЕЛЬФЫ : ОСОБЕННОСТИ СЕЙСМИЧНОСТИ И СТРУКТУРЫ

Специальности:

04.00.10 - геология океанов и морей 04.00.22 - геофизика

Диссертация в форме научного доклада, представленная на соискание ученой степени доктор геолого-минералогических наук

МОСКВА 1998

41 - / .: £\/ Г Работа выполнена в Институте океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Ю. П. Непрочное (Институт океанологии РАН)

доктор геолого-минералогических наук А. А. Никонов (Объединенный институт физики Земли РАН) доктор геолого-минералогических наук Ю. К. Щукин (ВНИИгеофизики)

Ведущая организация:

Институт "Геоинформсистем" (ВНИИгеосисте.м)

Защита диссертации состоится 17 июня 1998г. в 14 час. на заседании Специализированного Сор-" г Д,002.86.01 по защите докторских диссер- -л.-.м-яогии им. П. П.

Ширшова РАН : : мовский проспект, 36

С диссертацией . ; < ■ - ; ■ , ¡отеке Института

океанологии им. ■ >,•:■.•■ г

Диссертация разосле - г.

Ученый секретарь Специгьмкзировз'шого Совета,

я «

г/ ■•.У"

1 V

Введение

Задачи сформулированной темы решаются на примерах Эллинской дуги средиземноморского типа, Курило-Камчатской дуги тихоокеанского типа и шельфов окраинных морей России.

Сейсмичность островных дуг к настоящему времени достаточно хорошо изучена. Основные ее черты обусловлены компактной сейсмоактивной областью - зоной Беньофа, вернее зоной Вадати-Заварицкого-Беньофа (В3,ь) /Пущаровский, 1987/. Она имеет мощность от 20км /Мйгопоуаэ, (заскв, 1971/ до 40-50км /Федотов и др., 1985, 1987/ и протягивается от поверхности до глубин 200-600 и более километров, охватывая земную кору и верхнюю мантию, и наклонена под островную дугу под углом 30-50°. С существованием этой зоны связан один из опорных постулатов тектоники плит, а именно, представление о процессе субдукции (поддвиге) океанической литосферы под континентальную с ее последующим поглощением в верхней мантии континентального блока. При этом до сих пор такие физические параметры зоны Беньофа как механическая добротность, скорости сейсмических волн рассматриваются в ее поперечных сечениях, т.е. вкрест простирания дуги, в предположении ее однородности по простиранию. Вместе с тем, автору в начале 70-х гг. удалось впервые определить скоростную неоднородность зоны Беньофа по ее простиранию в районе Камчатки по данным наблюдений одной из региональных станций, расположенной в области выхода зоны Беньофа на поверхность / Кузин, 1972, 1974/. В настоящей работе эта идея получила дальнейшее развитие.

Сейсмичность шельфов окраинных морей России изучена очень слабо по двум причинам: а) вследствие их низкой сейсмичности, за некоторыми исключениями ( Курило-Камчатская дуга, моря Лаптевых и Сахалина); б) из-за очень редкой сети сейсмических станций на побережьях этих морей и островах.

Автором разработаны основы методики и составлены схемы обзорного сейсмического районирования шельфов окраинных морей России: Баренцева, Лаптевых, Чукотского, Охотского и Японского (северная часть) /Кузин, 1989,1990,1993/.

Настоящая работа состоит из трех частей. Первая часть посвящена анализу особенностей микросейсмического процесса в области Эллинской дуги, выявленных на основе кратковременных детальных исследований с помощью донных сейсмографов, проведенных лабораторией сейсмологии Института океанологии РАН в з9*87-1989 гг. Рассмотрены следующие аспекты изучения микросейсмического процесса: а) подобие характеристик сейсмического режима микроземлетрясений с М=1,6-3,0 и слабых землетрясений с М=3,1-4,8, с одной стороны, и умеренных и сильных землетрясений с М=5,0-7,2, с другой; б) выявление тонкой структуры зоны Беньофа

Эллинской дуги по особенностям распределения гипоцентров микроземлетрясений; в) прогноз сильного землетрясения с М=6,0 по особенностям распределения эпицентров микротолчков.

Во второй части работы рассмотрены результаты изучения сейсмичности и скоростной неоднородности зоны Беньофа Курило-Камчатской дуги по ее простиранию на основе детальных сейсмологических исследований с использованием данных преимущественно наземных наблюдений. Автором была разработана методика выявления скоростных неоднородностей в пределах зоны Беньофа Камчатки, основанная на анализе временных невязок по отношению к региональному годографу для станции в области выхода зоны на поверхность (станция на п-ове Шипунский). По этой же методике при участии автора была изучена скоростная структура зоны Беньофа в пределах юго-западного фланга Курило-Камчатской дуги.

Третья часть работы посвящена решению научно-прикладной задачи сейсмического районирования шельфов окраинных морей России на основе методических разработок автора с использованием опубликованной геолого-геофизической и сейсмологической информации.

Актуальность проведенных исследований состоит в расширении и углублении существующих представлений о сейсмическом процессе в области островных дуг и его связи с их глубинной структурой, обусловливающей особенности сейсмичности этих областей.

Сопоставление результатов изучения сейсмического процесса в области землетрясений малой энергии или микроземлетрясений (М<3,0) и умеренных и сильных землетрясений М=5,0-7,2 на примере Эллинской дуги актуально для определения связей между слабыми и сильными землетрясениями и в других регионах с целью выявления подобия или различий этого процесса в разных диапазонах энергии землетрясений. В свою очередь обнаружение подобия временного распределения землетрясений в широком диапазоне энергий (более 9 порядков) позволяет производить обоснованную экстраполяцию характеристик сейсмического режима микротолчков, полученных в короткие сроки наблюдений - от одного до нескольких месяцев, на значения тех же характеристик для умеренных и сильных разрушительных землетрясений (М=5,0-7,2), получаемых на основе долговременных (десятки лет) наблюдений.

Кроме того, возникает возможность решения проблемы оценки количественных характеристик сейсмического режима, а, следовательно, и сейсмической опасности слабосейсмичных районов, что в первую очередь актуально для районов с экологически опасными объектами (АЭС, нефтепромыслы, химические и нефтехимические предприятия). Использование микроземлетрясений позволяет решить эту задачу в обозримые сроки, порядка одного-двух лет /Ковачев, Кузин, 1997/.

Актуальны также и результаты научно-прикладных исследований. В частности, геолого-геофизическая и сейсмологическая информация, заложенная в основу схем обзорного сейсмического районирования шельфов окраинных морей России с уточнениями и дополнениями за последние 10 лет (1986-1995 гг.) использована при составлении нового варианта нормативной карты сейсморайониро-вания территории Российской Федерации и шельфов прилегающих морей (СР-97). Эти результаты позволят вести антисейсмическое проектирование и строительство гражданских и промышленных сооружений на шельфах и побережьях морей России.

Цели работы: 1. Решение фундаментальной научной проблемы - изучение особенностей сейсмического процесса в пределах Эллинской и Курило - Камчатской дуг и их связи со структурными особенностями уникальной сейсмоактивной области - зоны Беньофа этих дуг.

2. Решение научно-прикладной проблемы - разработка методики выделения и параметризации зон возникновения ожидаемых землетрясений (зон ВОЗ) для сейсмического районирования шельфов окраинных морей России.

В соответствии с этим решались следующие задачи:

1. Анализ сейсмического режима микроземлетрясений (М<3,0) и слабых землетрясений с М=3,1-4,8 центральной части Эллинской дуги и сопоставление его параметров с параметрами режима землетрясений с М>5,0.

2. Изучение особенностей пространственного распределения гипоцентров микроземлетрясений с целью определения тонкой структуры зоны Эллинской дуги.

3. Изучение влияния процесса подготовки сильного землетрясения в центре Эллинской дуги на характеристики микросейсмичности.

4. Изучение скоростных характеристик зоны Вадати-Заварицкого-Беньофа северо-восточного (Камчатка) и юго-западного (Южные Курильские о-ва) флангов Курило -Камчатской дуги и выявление связи этих характеристик с геотектоникой и проявлением сильнейших землетрясений с М>7. По центральной части дуги исходные данные для решения этой задачи отсутствуют.

5. Анализ и обобщение геолого-геофизических и сейсмологических данных по шельфам окраинных морей России (Баренцево, Лаптевых, Чукотское, Берингово, Охотское и Японское - северная часть) в процессе разработки методических основ и проведения сейсмического районирования шельфов этих морей.

Методика исследований. Производились интерпретация записей микроземлетрясений и анализ экспериментальных сейсмологических данных на ЭВМ с помощью стандартных программ (локализация и пространственное распределение микроземлетрясений, па-

раметров графиков их повторяемости, отношений скоростей продольных и поперечных волн Х/рЛ/в, оценка точности и пр.).

Изучение скоростных неоднородностей (блоковости) зоны Вадати-Заварицкого-Беньофа и проблемы сейсмического районирования шельфов производилась по методикам, разработанным автором/Кузин, 1972; 1974; 1989; 1990; 1993/.

Научная новизна. При выполнении работы автором получен ряд новых, неизвестных ранее результатов:

а) установлено подобие нормированных по времени и площади кумулятивных графиков повторяемости микроземлетрясений с М=1,6-3,0 и слабых землетрясений с М=3,1-4,8 для центральной части Эллинской дуги поданным за 1 месяц и графика повторяемости землетрясений с М=5,0-7,2 для всей дуги за 80 лет (диапазон энергий более 9 порядков). Это новый результат в изучении сейсмичности островных дуг;

б) выявлена тонкая структура зоны Беньофа в центральной и северо-западной частях Эллинской дуги с "расщеплением" ее на две подзоны - менее протяженную, до глубин 70-110 км, внешнюю и более протяженную - до 120-150 км, внутреннюю или основную, подзоны;

в) обнаружен неизвестный ранее предвестник сильного землетрясения (М = 6) в пределах Эллинской дуги, произошедшего через 2,5 года после завершения донных микросейсмических исследований и выраженный в виде поперечной к структурам дуги сейсмоактивной зоны микроземлетрясений на глубинах до 100 км, которая начала формироваться за 5,0 лет до возникновения этого землетрясения;

г) разработана методика определения скоростей объемных волн в зоне Беньофа по направлению её простирания - двухмерный вариант - на основе изучения невязок наблюдаемых времен пробега при землетрясениях зоны по отношению к региональному годографу или годографу Джеффриса -Буллена;

д) на основе этой методики впервые выявлена скоростная неоднородность зоны Беньофа с чередованием по её простиранию областей повышенных: У/р=8,5-8,6 км/с; Х/з=4,8-4,9 км/с и пониженных - \/р=7,2-7,4 км/с; Уэ = 4,4 км/с - скоростей на глубинах до 120 км в области Курило -Камчатской дуги;

е) установлена связь особенностей скоростной структуры зоны Беньофа в пределах юго-западного фланга Курило-Камчатской дуги и морфологии этой зоны в области Эллинской дуги с поверхностной тектоникой этих дуг;

ж) сформулированы специфические особенности методики сейсмического районирования шельфов по сравнению с методикой районирования сейсмичных регионов суши;

з) впервые составлены схемы обзорного сейсморайониро-

вания шельфов окраинных морей России - Баренцева, Лаптевых, Чукотского Охотского и Японского - северная часть.

Научная обоснованность и достоверность. Научная обоснованность определяется тем, что полученные результаты опираются на фундаментальные представления о сейсмичности и глубинной структуре островных дуг. Достоверность положений и выводов работы подтверждается сравнением полученных результатов с выводами, полученными другими авторами и другими методами.

Практическая ценность. Результаты работы, прежде всего, имеют большое значение в решении проблемы оценки сейсмической опасности для прибрежных районов и областей шельфов. Данные по оценке сейсмичности шельфов впервые использованы при составлении нового варианта нормативной карты общего сейсморайониро-вания территории Российской Федерации и шельфов прилегающих морей (ОСР-97).

Данные о подобии сейсмического режима в широком диапазоне энергий землетрясений - от микротолчков с М<3,0 до сильных землетрясений в пределах линейности графика повторяемости ( М=6,8) могут быть использованы, с одной стороны, в качестве экспресс - метода изучения сейсмичности сейсмоактивных регионов, а с другой, при количественной оценке параметров сейсмической опасности слабосейсмичных регионов (шельфы, платформенные области), в первую очередь для районов с экологически опасными сооружениями и производствами при проведении для них детального сейсморайонирования. При этом на основе организации микросейсмического мониторинга возможно решение проблемы острого недостатка сейсмологических данных для слабо сейсмичных районов.

Успешный опыт прогнозирования достаточно сильного землетрясения с М=6 на основе анализа особенностей пространственно-временного распределения микроземлетрясений в центре Эллинской дуги может быть применен в комплексе с другими известными методами для решения аналогичной проблемы в пределах других островных дуг и вообще сейсмоактивных регионов.

Данные о неоднородностях скоростной структуры зоны Беньофа могут послужить основой для совершенствования геотектонических построений в областях островных дуг (пример использования этих данных - концепция "клавишной" тектоники островных дуг /Лобковский, Баранов, 1984/). Приуроченность сильнейших землетрясений к областям повышенных скоростей зоны Беньофа можно использовать при прогнозе места этих землетрясений, в том числе и цунамигенных.

Основные защищаемые положения.

1. Проведен кратковременный микросейсмический мониторинг с донными станциями в центре Эллинской дуги, в результате которого решены две новых научных задачи:

а) выявлена тонкая структура зоны Беньофа Эллинской дуги по особенностям распределения гипоцентров микроземлетрясений;

б) выявлен новый предвестник сильного (М=6,0) землетрясения по особенностям пространственного распределения эпицентров микротолчков.

2. Выявлена неизвестная ранее двухмерная блоковая скоростная структура зоны Беньофа Курило-Камчатской дуги по ее простиранию на основе анализа временных невязок времен пробега при землетрясениях с М=2,8-6,5. На глубинах до 120 км определено чередование областей повышенных (Vp до 8,5-8,6 км/с) и пониженных (Vp до 7,2-7,4 км/с) скоростей в зоне Беньофа. Установлена приуроченность сильнейших землетрясений с М=7,9-8,4 к областям повышенных скоростей или их границам с низкоскоростными областями, что можно рассматривать как первичный прогноз места возникновения сильнейших землетрясений.

3. Выполнено сейсмическое районирование шельфов окраинных морей России на основе методического подхода, разработанного автором.

4. Научная новизна и приоритетность результатов по скоростной структуре зоны Беньофа Курило - Камчатской дуги и особенностям микросейсмического процесса в пределах Эллинской дуги.

Основные результаты работы:

1. Установлено подобие графика повторяемости землетрясений в широком диапазоне энергий (около 9 порядков), начиная с микроземлетрясений, МОД за короткий период наблюдений (1 месяц) в пределах небольшого района - центральная часть Эллинской дуги, S ~ 60000 км2 и кончая сильными землетрясениями с М=6-7 в пределах большого региона - вся Эллинская дуга, S ~ 370000 км2 - по данным долговременных наблюдений (80 лет). Этот результат следует рассматривать как подтверждение иерархических свойств и самоподобия сейсмического режима, выявленных ранее в пределах других сейсмоактивных районах (Таджикистан, Калифорния) / Садовский и др., 1987; Садовский, Писаренко, 1991/. Однако для островной дуги такие данные до сих пор не были известны.

2. Поданным пространственного распределения гипоцентров микроземлетрясений, локализуемых с повышенной точностью ( 3-5 км), выявлена тонкая структура зоны Вадати-Заварицкого-Беньофа в пределах центрального и северо-западного сегментов Эллинской дуги. Сущность этого результата состоит в выделении в единой по существовавшим ранее представлениям сейсмоактивной зоне Беньофа двух подзон: внешней, протягивающейся до глубин 70-110 км, и внутренней (основной), прослеживаемой на глубинах до 120-150 км. Разделение зоны Беньофа на подзоны определяет особенности структуры островного склона Эллинской дуги и глубоководного желоба -сегментацию и кулисные смещения отдельных сегментов друг

относительно друга. "

3. На основе анализа особенностей п�