Пространственно-временное распределение очагов цунамигенных землетрясений тихоокеанского и беринговоморского побережий Камчатки по отложениям палеоцунами

Пинегина, Татьяна Константиновна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Пространственно-временное распределение очагов цунамигенных землетрясений тихоокеанского и беринговоморского побережий Камчатки по отложениям палеоцунами
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временное распределение очагов цунамигенных землетрясений тихоокеанского и беринговоморского побережий Камчатки по отложениям палеоцунами"

на правах рукописи

ПИНЕГИНА Татьяна Константиновна

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЧАГОВ ЦУНАМИГЕННЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ТИХООКЕАНСКОГО И БЕРИНГОВОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖИЙ КАМЧАТКИ ПО ОТЛОЖЕНИЯМ ПАЛЕОЦУНАМИ

25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Петропавловск-Камчатский, 2014

2 7 НАР 2014

005546546

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИВиС ДВО РАН)

Трифонов Владимир Георгиевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории неотектоники и современной геодинамики, ФГБУН Геологический институт РАН (ГИН РАН), г. Москва

Игнатов Евгений Иванович, доктор географических наук, профессор кафедры геоморфологии и палеогеографии географического факультета Московского государственного Университета имени М.В. Ломоносова (МГУ им. М.В. Ломоносова), г. Москва

Чубаров Леонид Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, центр мониторинга социально-экономических процессов и природной среды, ФГБУН Институт вычислительных технологий Сибирского отделения РАН (ИВТ СО РАН), г. Новосибирск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российский академии наук (ИМГиГ ДВО РАН), г. Южно-Сахалинск

Защита состоится 15. мая 2014 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д.002.239.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте Океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 117997, Москва, Нахимовский проспект, 36, Большой конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте Океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук:

239-02-geoiogo-mineralogicheskie-nauki-tekhnicheskie-nauki.html

Автореферат разослан ОЗ. 2014 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в 2-х экземплярах направлять по адресу: 117997, Москва, Нахимовский проспект 36, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, ученому секретарю диссертационного совета Хусид Татьяне Абрамовне

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук Т.А. Хусид

подпись

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ВВЕДЕНИЕ

Дальневосточное побережье России периодически подвергается воздействию волн цунами, возникающих в результате землетрясений под дном акваторий Тихого океана, Охотского, Японского и Берингова морей. Наиболее опасные для Дальнего Востока России цунамигенерирующие землетрясения приурочены к Курило-Камчатской зоне субдукции протянувшейся вдоль северозападной окраины Тихого океана. Камчатка и Курильские острова являются одними из наиболее сейсмически активных регионов планеты, и крупные исторические землетрясения в этой зоне генерировали цунами. Так, самое разрушительное цунами на Дальневосточном побережье случилось ночью 5 ноября 1952 г., его эпицентр располагался в океане примерно в 200 км к юго-востоку от Петропавловска-Камчатского (52.75° с.ш., 159.50° в.д.), а длина очага составила около 500-600 км. Цунами обрушилось на участок дальневосточного побережья протяженностью более 700 км - от Кроноцкого полуострова на Камчатке до Северных Курильских островов, а также принесло значительный ущерб на Гавайских островах. Волны высотой более 10 м (до 18 м) уничтожили г. Северо-Курильск и пос. Океанский на о-ве Парамушир, а также несколько поселков на Камчатке.

Мощное землетрясение с эпицентром, расположенным восточнее о-ва Шикотан, 4 октября 1994 года породило цунами, высота заплеска которого достигла величины 15 м на побережье о-ва Шикотан и 9 м на о-ве Кунашир.

Землетрясение 15 ноября 2006 г. на центральных Курильских островах вызвало цунами высотой до 10-20 м от о-ва Симушир до о-ва Матуа.

Несмотря на то что, на Земле цунами происходят ежегодно, сильные и катастрофические цунами - явление достаточно редкое, и для большинства побережий каталог этих событий короток. Использование только известных исторических данных недостаточно для получения качественных и количественных оценок цунамиопасности. Однако, все сильные цунами оставляют следы на побережьях, изучение которых позволяет получить обширный материал о проявлениях цунами в прошлом.

Первые работы по изучению отложений цунами были выполнены в Японии в середине 1980-х годов. В последующий период подобные работы проводились на западном побережье США и Канады, в Чили, Австралии, Новой Зеландии и ряде других стран - в большинстве регионов, подверженных цунами. В России первые работы по изучению отложений цунами начались на Камчатке (Мелекесцев и др., 1994) и на о-ве Итуруп (Булгаков и др., 1995) в начале-середине 90-х гг. В 1993 г. впервые были идентифицированы 4 горизонта цунамигенных отложений на Камчатском полуострове, расположенном к востоку от пос. Усть-Камчатск (Мелекесцев и др., 1994). Систематические и целенаправленные исследования следов палеоцунами стали проводиться на Камчатке при непосредственном участии автора с 1995 г. (Пинегина и др., 1997).

упор на моделирование заплеска на побережье. В этой области существует много нерешенных задач, связанных с особенностями деструкции и диссипации цунами в зависимости от морфологии береговой зоны и подводного склона, влиянием на скорость прохождения волн коэффициентов шероховатости подстилающей поверхности и ее смачиваемости, эффектами фильтрации воды в грунт. Еще одно направление исследований посвящено детальному изучению текстуры и гранулометрии отложений недавних цунами для восстановления таких параметров, как скорость потока, количество волн, разделения их на прямой и обратный потоки. Ряд исследователей занимается изучением микроорганизмов в отложениях цунами - для определения глубин, с которых отложения были перемещены.

Перечисленные исследования стоят за рамками данной работы. Основной упор в диссертации сделан на выявление и корреляцию отложений цунами вдоль Беринговоморского и Тихоокеанского побережья Камчатки и северных Курильских островов, восстановление их высот и дальностей заплеска, оценки магнитуд и повторяемости цунамигенных землетрясений происходящих в разных геодинамических обстановках - вдоль Курило-Камчатской зоны субдукции, в районе коллизионного взаимодействия Алеутской дуги с Камчатским полуостровом, на западной окраине Берингова моря, являющегося задуговым бассейном. Полученные данные позволили сделать выводы о неоднородности цунамигенерирующего потенциала Камчатской зоны субдукции и районов примыкающих к ней с севера.

Актуальность работы

Выявление пространственно-временного распределения сильных цунами и землетрясений, происходящих в зонах субдукции, коллизии и на окраинах задуговых бассейнов, представляет собой важнейшую часть фундаментальных исследований наук о Земле, и имеют при том большое прикладное значение. В силу малой длительности исторических, и в особенности, инструментальных наблюдений за этими событиями, особую актуальность здесь приобретают палеосейсмологические исследования.

Цели и задачи работы

Цель работы - выявление палеоцунами и реконструкция их параметров вдоль восточного побережья Камчатки и северных Курильских островов, применение этих данных для определения положения очагов, повторяемости и магнитуд цунамигенных землетрясений, происходивших здесь в позднем голоцене (в последние ~2000 лет).

Основные задачи исследования включали:

1) Описание геолого-геоморфологических эффектов цунами на побережье, картирование отложений цунами и косейсмических деформаций, сопровождающих сильнейшие землетрясения.

2) Создание методики восстановления пространственного положения древних береговых линий с использованием методов тефрохронологии и тефро стратиграфии.

3) Создание методики определения направлений и скоростей вертикальных

движений для побережий, находящихся в различных геодинамических обстановках (субдукция, коллизия, задуговой бассейн) с использованием методов тефрохронологии и тефростратиграфии.

4) Оценку повторяемости и магнитуд (М,, Мш) древних землетрясений на основе реконструированных высот заплесков палеоцунами и протяженности охваченных ими побережий.

5) Разработку принципов представления и формализации палеосейсмологических данных для их анализа, визуализации и интеграции в существующие базы данных по историческим цунами, с целью их дальнейшего использования при оценке цунамиопасности побережий.

Фактический материал и методы исследований В основу диссертации положены результаты полевых исследований на Камчатке (1995 - 2013 гг.), Курильских островах (1999, 2006-2008 гг.), в Индонезии (2004-2005 гг.), в США (1997, 2000 гг.). Работы проводились главным образом в рамках научных проектов РФФИ, N8? и ДВО РАН.

Для решения поставленных в работе задач использовался комплекс как традиционных методов (включающих дешифрирование и интерпретацию материалов дистанционного зондирования, полевые геоморфологические и геологические исследования, детальную топографическую съемку), так и сравнительно новых методов (таких как георадарное зондирование, тефрохронология и тефростратиграфия, картирование отложений цунами и эрозионных цунамигенных форм рельефа, выявление погребенных уступов размыва, связанных с косейсмическими опусканиями побережий).

Научная новизна и личный вклад автора

1. Впервые предложены методики определения положений древних береговых линий в пространстве и оценки направлений и скоростей тектонических движений на побережьях, основанные на детальном изучении почвенно-пирокластического чехла морских аккумулятивных террас и характере выклинивания залегающих в их основаниях вулканических пеплов определенного возраста.

2. Предложено использовать эрозионные цунамигенные формы рельефа для определения положения верхней границы активного пляжа на момент палеоцунами.

3. Установлены косейсмические деформации на побережьях Камчатки и северных Курильских островов; описана методика идентификации следов косейсмических опусканий морских аккумулятивных террас, показано детальное строение погребенных уступов размыва - несогласий, фиксирующих косейсмические опускания, предложены методики для определения их возраста и амплитуд.

4. Вдоль побережья восточной Камчатки и северных Курильских островов выявлены и коррелированны следы палеоцунами за последние ~2000 лет, восстановлены их параметры (высота и дальность заплеска), определены повторяемость и магнитуды М, и М„ цунамигенных палеоземлетрясений.

5. Выявлена неоднородность цунамигенерирующего потенциала

землетрясений происходивших вдоль побережья Камчатки в последние -2000 лет.

6. Разработана структура базы данных позволяющая анализировать данные о палеоцунами в ГИС, интегрировать их в существующие базы данных по историческим цунами.

Автор диссертации являлся руководителем проектов РФФИ и ДВО, в рамках которых проводились экспедиционные работы, участвовал в экспедиционных исследованиях и обработке представленного в работе фактического материала.

Теоретическое и практическое значение работы

Проблема прогнозирования места, времени и параметров землетрясений и цунами, до сих пор не решена и вряд ли может быть решена в обозримом будущем. Поэтому большое значение приобретает оценка вероятности возникновения цунами в той или иной части побережья и его возможной интенсивности, распределение в пространстве и во времени цунамигенных землетрясений, оценка их магнитуд. Результаты исследований, представленные в диссертации, были использованы в отчете «Оценка цунамиопасности площадок пограничных государственных постов (ПГП) на территории Камчатской области» (2009), в информационном отчёте по хоздоговорной теме «Палеоцунами» (2000) для оценки цунамиопасности трассы газопровода в районе побережья Авачинского залива. Полученные автором данные использованы в отчетах по интеграционному проекту ДВО-СО РАН № 12-П-0-08-003 «Фундаментальные проблемы совершенствования оперативного прогноза цунами и создания карты цунамирайонирования Дальневосточного побережья РФ».

Защищаемые положения

1. Пространственное положение береговой линии в различных районах Восточной Камчатки в голоцене не оставалось постоянным. Поэтому надежные оценки вертикальных и горизонтальных заплесков палеоцунами могут быть проведены только при восстановлении береговой линии на момент палеоцунами. Для этого впервые предложена методика определения положения верхних границ активных палеопляжей, основанная на анализе залегания и выклинивания перекрывающей их тефры.

2. Сильнейшие цунамигенные землетрясения Камчатской зоны субдукции сопровождаются косейсмическими деформациями на побережье. Косейсмические опускания на аккумулятивных побережьях запечатлены в геологическом строении морских террас в виде погребенных уступов размыва. Положению погребенного уступа соответствует перегиб в вершинной поверхности террасы, амплитуда косейсмического опускания приблизительно соответствует высоте гипсометрической ступени над погребенным уступом размыва.

3. Средние периоды повторяемости цунами и генерирующих их землетрясений не одинаковы вдоль Камчатского побережья Тихого океана и Берингова моря. Они меняются от -70 до -250 лет, закономерно увеличиваясь от

Северных Курил к западному побережью Берингова моря.

4. Цунамигенерирующий потенциал Камчатской зоны субдукции неоднороден. Оцененные по параметрам палеоцунами магнитуды цунамигенных землетрясений за последние -2000 лет демонстрируют отчетливый тренд снижения их значений в северном направлении - от М, -8-9 в сегменте напротив южной Камчатки и Авачинского залива до М, -7.7-8.3 в сегменте напротив Камчатского залива. За северным окончанием зоны субдукции, на западной периферии Командорской котловины, землетрясения в тот же период времени имели магнитуды Mt от 7.0 до 8.1.

5. Разработана структура базы данных, обеспечивающая хранение, визуализацию, анализ и интерпретацию средствами ГИС геологических данных о палеоцунами, а также их интеграцию с данными об исторических цунами. База данных с предлагаемой структурой позволяет использовать отложения цунами для оценки цунамиопасности побережий.

Апробация работы

Всего по теме диссертации автором опубликовано 120 работ, в том числе 29 в реферируемых журналах из списка ВАК РФ, 29 статей в книгах и сборниках. Результаты работ докладывались на региональных и всероссийских конференциях в Москве (2006), Петропавловске-Камчатском (1997, 2011, 2009, 2007), Хабаровске (2010), Южно-Сахалинске (2008, 2010), Иркутске (2012), Новосибирске (2012), международных конференциям по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (JKASP) в Петропавловске-Камчатском (2004, 2011), Анкоридже (2001), Саппоро (2007), ассамблеях EGU в Ницце (2002, 2003) и в Вене (2012), ассамблеях AGU в Сан-Франциско (1998, 1999, 2004-2005, 2012), международной конференции AvH в Перу (2007), на генеральной ассамблее IAVCEI в Индонезии (2000), международной конференции по цунами в Сендаи, Япония (2010).

Структура работы

Работа состоит из 5 глав, введения и заключения. Общий объем составляет 235 страниц, включая 125 иллюстраций, 10 таблиц. Список литературы содержит 180 наименований.

Во Введении дана общая характеристика работы, обсуждаются ее актуальность, научная новизна и практическое значение, обосновывается постановка решаемой фундаментальной научной проблемы, ставятся цели и задачи работы.

В Главе 1 описан процесс наката цунами на берег, методика полевого обследования последствий цунами и определения их интенсивности; рассмотрено эрозионное и аккумулятивное воздействие цунами; описаны отложения цунами и их отличия от аллювиальных, штормовых и эоловых.

В Главе 2 рассмотрены принципы и подходы, используемые при поиске и идентификации геолого-геоморфологических следов воздействия древних цунами на побережья, выборе мест - «седиментационных ловушек», в которых отложения цунами могут сохраняться на протяжении тысяч лет. Подробно рассмотрены разработанные автором для условий Камчатки и Курильских

островов методики реконструкции древних береговых линий, определения скорости вертикальных тектонических движений побережий, позволяющие восстанавливать параметры горизонтальных и вертикальных заплесков древних цунами. Отдельный раздел посвящен вопросу изучения и интерпретации эрозионных цунамигенных форм рельефа.

В Главе 3 рассмотрены крупноамплитудные косейсмические деформации побережий, происходящие в результате сильнейших (М-8.5-9) цунамигенных землетрясений в зоне субдукции. В отдельных разделах рассмотрена общая модель, объясняющая наличие пликативных (не разрывных) деформаций, исторические примеры подобных деформаций, в том числе и по материалам, собранным лично автором. Рассмотрены геолого-геоморфологические признаки косейсмических опусканий, подробно изложены методики и подходы, разработанные автором для определения возраста и амплитуд косейсмических деформаций. Описаны фактически выявленные крупноамплитудные деформации побережий.

В Главе 4 изложены данные об отложениях палеоцунами на Беринговоморском побережье Камчатки, Камчатского, Кроноцкого, Авачинского заливов, а также на юге Камчатки и на северных Курильских островах Шумшу и Парамушир. Для каждого из районов проведена реконструкция параметров палеоцунами на берегу, реконструировано вероятное положение очаговых зон цунамигенных землетрясений произошедших за последние 2500-1500 лет, оценена их магнитуда и (по сводным данным) повторяемость.

В Главе 5 предложены принципы создания базы данных (БД) по палеоцунами на основе использования геоинформационных систем (ГИС). БД позволяет визуализировать палеосейсмологические данные, систематизировать их по ряду параметров. Разработанная структура БД позволяет значительно упростить процедуру анализа фактических данных по палеоцунами и может использоваться для оценки цунамиопасности.

Благодарности

Автор выражает признательность сотрудникам ИВиС ДВО РАН A.A. Гусеву, Г.П. Авдейко, Н.И. Селиверстову, И.В. Мелекесцеву, A.B. Викулину, сотруднику ИТПЗ РАН A.B. Ландеру, сотруднику КФ ГС РАН Д.В. Чеброву, критические замечания и конструктивные советы которых способствовали завершению работы.

Особую благодарность автор выражает сотруднице ИВиС ДВО РАН В.В. Пономаревой за огромную помощь в идентификации вулканических пеплов, и сотруднику ГИН РАН А.И. Кожурину за плодотворное сотрудничество, совместные полевые исследования, обсуждения результатов.

За самоотверженный труд в полевых условиях и проявленный интерес к работе, автор выражает признательность всем участникам экспедиций.

Автор глубоко благодарен друзьям и коллегам A.B. Сторчеусу и Е.А. Кравчуновской, трагически ушедшим из жизни, за совместные полевые исследования, обсуждения результатов и интерес к работе.

ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЦУНАМИ НА ПОБЕРЕЖЬЕ: ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

Изучая отложения древних цунами, необходимо представлять процессы, которые происходят на побережье во время цунами. Ключ к пониманию этих процессов — исследование последствий недавних событий. Автор принимал участие в сборе полевых данных по последствиям Кроноцкого цунами 5.12.1997, Индонезийских цунами 26.12.2004 и 28.03.2005, Курильских цунами 15.11.2006 и 13.01.2007. Эти материалы легли в основу главы 1. 1.1. Накат цунами на берег

Как правило, волна цунами подходит к берегу не в виде одиночной волны, а в виде серии волн, причем самой высокой часто бывает не первая волна. Довольно редко на берегу во время цунами можно наблюдать медленное повышение уровня воды. Это происходит в том случае, если побережье окружено очень широким мелководьем, и волна цунами обрушилась далеко в море и при подходе к берегу уже потеряла большую часть энергии. Гораздо чаще при подходе к берегу передний фронт волны вырастает, опрокидывается и трансформируется в бор - высокоскоростную турбулентную волну с крутым фронтом (Heller et al., 2005).

Передний фронт волны при набегании на сушу осложнен турбулентными потоками, поэтому направление и высота цунами может изменяться довольно существенно даже в масштабе сотен метров. В связи с этим, эффекты цунами на берегу могут быть различны даже в двух соседних бухтах или заливах. Ширина зоны затопления цунами зависит от топографии и характера рельефа, высоты цунами, и от длины волны. Благодаря большой длине волн, цунами способны затапливать побережье на расстояние нескольких километров вглубь суши (известны случаи затопления на 10 км), а скорость продвижения цунами на берегу может достигать 60 км/час.

1.2 Методика сбора информации о параметрах цунами и их последствиях

В разделе подробно изложена методика выявления следов недавних цунами, сбора информации и определения их параметров. При определении параметров цунами на побережьях, прежде всего, определяется линия максимального заплеска цунами, и затем измеряются горизонтальные и вертикальные расстояния от этой линий до уреза воды на момент замера.

При определении положения линий максимальных заплесков недавних цунами используются несколько различных подходов. В наиболее простом случае линия заплеска цунами определяется по валику из плавника и плавучего мусора, образующего в плане вытянутую извилистую линию. Иногда на побережье можно наблюдать несколько таких линий (соответствовавших нескольким волнам). Наиболее удаленная от уреза линия плавника является линией максимального заплеска цунами. В случае наката цунами на крутые склоны, граница заплеска часто не совпадает с верхней границей эрозионного воздействия цунами («trim line» в англоязычной литературе), а находится на 1-2 м выше по склону. Сделан вывод о том, что линия максимального заплеска цунами практически совпадает с границей распространения отложений цунами, либо находится всего на несколько десятков метров дальше вглубь суши. Этот

факт является очень важным для восстановления границ заплесков палеоцунами по их отложениям.

1.3. Эрозионный и аккумулятивный эффекты цунами

Цунами оказывает целый ряд воздействий при обрушении на берег. Самые ; распространенные эффекты - эрозия и аккумуляция. Изучение последствий ряда исторических цунами в различных регионах мира показало, что цунами не : формируют новых макроформ рельефа на побережьях (например, новых береговых валов), но локально могут очень сильно размыть имеющиеся формы (Пинегина, Кравчуновская, 2010). Ширина зоны, подверженной эрозионному воздействию, в первую очередь зависит от интенсивности цунами и от скорости потока.

Волны цунами воздействуют на берег как прямым, так и обратным потоком, причем, в зависимости от геоморфологии побережья, обратный поток может воздействовать не менее интенсивно, чем прямой. Прямой поток цунами можно разделить на зоны ускоряющегося, квазистабильного и замедляющегося потока (1а1Те, Се11ёпЬаит, 2007). Соответственно, ближе к урезу, в зоне ускоряющегося потока, происходит размыв, а дальше от уреза — в зоне квазистабильного и замедляющегося потока - аккумуляция.

Так как цунами чаще всего подходят к побережью в виде серии волн, 1 разделение побережья на зоны эрозии и аккумуляции в некоторой степени условно, поскольку, например, зона эрозии первой волны может быть зоной аккумуляции последующих волн и наоборот. Поэтому, в каждом конкретном случае можно говорить лишь о преобладании цунамигенного размыва или аккумуляции на том или ином участке берега. В нескольких случаях удалось измерить топографические профили на одном и том же участке побережья до и после цунами 15.11.2006 г. на Курильских островах (Пинегина и др., 2008; 1 МаЫппев е1: а!.. 2009 а, Ь) (рис. 1.1).

расстояние, от уреза воды, м Рис. 1.1. Результат повторного измерения топографического профиля в бухте Айну, о. Матуа после цунами 15.11.2006 (Пинегина и др., 2008).

Эти данные позволили оценить количественное соотношение между объемом эродированного и аккумулированного материала на берегу во время цунами. Во всех изученных случаях объём материала, перемещённого в результате эрозии, намного превосходил объём отложенного материала. Была выявлена устойчивая закономерность по всем замерам на Курильских островах: при высоте цунами менее 8 метров объём эрозии превышал объём аккумуляции в 5-15 раз. При высоте цунами свыше 15 метров объём эрозии превышал объём аккумуляции в 30-40 раз (Maclnnes et al., 2009 а).

В разделах 1.3.1-1.3.3 главы 1 описаны эрозионные и аккумулятивные эффекты цунами, выявленные во время обследования последствий Курильских цунами 2006-2007 гг. Побережья в зависимости от наблюдавшихся эрозионных эффектов разделены на валунно-глыбовые пляжи, примыкающие к склонам коренного берега и на аккумулятивные террасы. Сделан вывод о том, что эрозия цунами более избирательна на пологих берегах, и практически площадная на крутых. Ширина зоны, испытавшей наиболее глубокую эрозию, составляет, как правило, первые метры. На песчаных аккумулятивных террасах наиболее значительной эрозии подверглись обращенные в сторону моря склоны береговых валов, в особенности ближайшие к морю.

1.4. Характеристика отложений цунами и их отличие от других генетических типов отложений

В разделе на основе анализа опубликованной литературы и по данным собранным лично автором приводится подробная характеристика отложений цунами. В целом, отложения цунами имеют следующие характеристики (Пинегина и др., 2012; Bourgeois et al., 2006; Morton et al., 2007; Paris et al., 2007):

1) они состоят из рыхлого материала, эродированного и перенесенного с прилегающего побережья и с глубин примерно до 50 м (хотя в последнее время появились работы, в которых упоминается, что цунами могут выносить на сушу микроорганизмы с глубин до 200 м);

2) отложения представлены галечными, песчаными и илистыми горизонтами (с типичной мощностью от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров); в ряде случаев цунами могут выбрасывать на сушу и передвигать на берегу и крупные валуны и глыбы (tsunami-ishi) весом до нескольких тонн (Kato, Kimura, 1983), однако не образующих сплошные покровы;

3) отложения неоднородны и нерегулярны по мощности и гранулометрическому составу и редко перекрывают всю поверхность в зоне заплеска цунами (следствие наложения процессов эрозии и аккумуляции);

4) строение цунамигенных отложений свидетельствует об условиях быстрой (моментальной) аккумуляции;

5) отложения могут быть неслоистыми, либо содержать несколько тонких прослоев, соответствующих нескольким волнам;

6) они могут откладываться как прямым, так и обратным потоком, в результате чего прослои могут залегать друг по отношению к другу с угловым несогласием;

7) горизонты цунамигенных отложений чаще имеют нормальную градационную слоистость, в ряде случаев видимая слоистость отсутствует;

8) могут быть хорощо или плохо сортированы по крупности зерен;

9) могут содержать аллохтонные включения - дерево, почву, торф и другие фрагменты («rip-up clasts»);

10) границы по кровле и по подошве, как правило, резкие;

11) граница по контакту с подстилающими отложениями часто несогласная, имеет эрозионный характер;

12) мощность отложений отдельного цунами чаще всего не превышает несколько десятков сантиметров;

В разделах 1.4.1-1.4.3 рассмотрено отличие цунамигенных отложений от штормовых, эоловых, флювиальных. Физические характеристики штормовых (т.е. ветровых) волн отличаются от волн цунами. Процесс воздействия цунами на побережье происходит в течение периода времени от первых десятков минут до нескольких часов, а единичный шторм (включая фазы нарастания и убывания) может продолжаться многие сутки. Одно цунами состоит из нескольких волн (редко наблюдалось до 10), в то время как при шторме на побережье обрушиваются тысячи волн. Длина волн цунами и, соответственно, их период, намного больше, чем длина и период ветровых волн. Сильные штормы происходят гораздо чаще сильных и катастрофических цунами, граница отложений цунами находится существенно дальше от уреза воды, чем граница штормовых отложений; эрозия и аккумуляция материала во время цунами субсинхронны, а во время шторма эрозия берега происходит на фазе нарастания шторма, а аккумуляция материала - на фазе убывания; аккумуляция материала во время цунами происходит обычно на высоте от 3 до 30 м над уровнем максимального прилива, а штормовая аккумуляция, как правило, происходит на высотах до 3 м.

Сортировка эоловых отложений, в целом, гораздо лучше, чем у отложений цунами; последние можно проследить вдоль побережья, и при этом они будут представлены разным по гранулометрии материалом (от песка до гальки и валунов). Опыт наших работ показывает, что на Дальнем Востоке России, эоловые процессы в целом сильнее всего развиты на Курильских островах и в значительно меньшей степени на Камчатке. Периодической активизации эоловых процессов могут способствовать эксплозивные извержения вулканов. Проведенные на Камчатке исследования (Кравчуновская, Горбунов, 2010) показали, что эоловый перенос материала, как правило, происходит в пределах зоны активного пляжа. На реликтовых валах, где развит почвенный чехол и густая растительность, эоловые процессы практически не выражены. Ежегодные наблюдения за зимними пляжами на Камчатке показали, что ширина зоны эолового переноса песка с активного пляжа обычно не превышает нескольких десятков метров.

Район распространения аллювиальных отложений любого водотока ограничен его долиной. Долина реки, в которой находится комплекс голоценовых речных террас, в том числе и современных пойменных, прекрасно

дешифрируются на аэрофотоснимках. В связи с этим, если не ставится узкоспециальная задача, поиск отложений цунами обычно производится вне речных долин. В этом случае проблемы различения аллювиальных отложений от цунамигенных не возникает.

1.5. Различие двух близких по времени событий или нескольких волн цунами

Довольно часто отложения цунами состоят из нескольких горизонтов отложенных несколькими волнами различными по интенсивности, или при прямом и обратном потоке. Поэтому довольно сложно, а порой и невозможно отличить слоистые отложения одного цунами от двух цунами, близких по возрасту. Единственный подход при попытке разделить сближенные во времени события - поиск их отложений в условиях быстрой седиментации. В холодных странах, где зимой существует снежный покров, иногда можно разделить очень сближенные события, так как снег и лед предохраняют земную поверхность от эрозионного воздействия волн второго цунами. При этом, тонкая фракция у кровли горизонта первого цунами может быть не смыта последующим цунами. Так, например, в нескольких случаях удалось различить отложения Курильских цунами 2006 и 2007 гг. Такая возможность представилась благодаря тому, что январское цунами 2007 г. обрушилось на поверхность мерзлого грунта, перекрытую снегом. Схематично этот процесс показан на рисунке 1.2.

к ^ мелши ппавучии мусор, трава цунами 2007 песок о м Э

та л: 'снег, *снег* ц

¿■о £ о ^ о 5 песок песок песок песок м

* I Г> Q) S

почва почва почва почва

Рис. 1.2. Принципиальная схема идентификации отложений цунами 15.11.2006 и

13.01.2007 гг. на Центральных Курилах (Пинегина и др., 2008). Обследованием было доказано, что ноябрьское цунами было в два-три раза интенсивнее, чем январское. В целом же, события-аналоги сдвоенных цунами в Индонезии и на Курильских островах с геологической точки зрения относятся к одному сейсмическому циклу, представляя собой главное событие и их сильнейшие афтершоки. Исследуя эти события геологическими методами, главное - оценить их общий, суммарный эффект

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАЛЕОЦУНАМИ

2.1. Общие принципы и подходы при поиске и идентификации

отложений палеоцунами К основным отличительным особенностям тех отложений палеоцунами, которые удается идентифицировать, относятся (Пинегина и др., 2000): 1) приуроченность к полосе побережья вне зоны штормовой досягаемости и к различным гипсометрическим уровням, примерно до 30-40 м над уровнем моря (для Курило-Камчатского региона характерны катастрофические цунами с большими высотами волн); 2) присутствие в отложениях морского песка и

окатанной гальки (песчано-галечные отложения более всего характерны для открытых побережий с высокой энергией волн); 3) незначительная мощность отложений (от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров); 4) значительно больший (по сравнению со штормами) характерный период повторяемости образования отложений (десятки - сотни лет).

Места для поиска и изучения отложений палеоцунами выбираются после тщательного анализа аэрофото- и космических снимков и топографических материалов. При исследованиях отложений цунами важно соблюдать два главных принципа: 1) изучать разрезы с хорошо развитой почвой или торфом (вмещающие отложения не должны содержать штормовые, эоловые или иные прослои сложенные морским песком) и в тех местах, которые на момент события находились на большом удалении от побережья (сотни метров — первые километры); 2) выбирать участки с наибольшей скоростью седиментации рыхлых вмещающих отложений (например, котловины заросших озер, торфяники на месте заросших лагун и т.п.).

Для оценки высот и дальности заплесков палеоцунами, необходимо реконструировать положение древней береговой линии и высоту рельефа побережья на момент события.

Для участков побережья с широкими аккумулятивными морскими террасами, быстро выдвигающимися в сторону моря (проградирующими), наиболее важно восстановить древние береговые линии в плане, так как их положение могло отличаться от положения современного уреза на километры. Для участков быстро воздымающихся побережий наиболее важно оценить скорость поднятий, так как высота, на которой были отложень1 цунамигенные горизонты, могла отличаться от уровня современной поверхности на многие метры. Для участков побережий, испытывающих опускания, восстановить положение древних береговых линий, как правило, не представляется возможным. В связи с этим, для таких участков реконструированные высоты и дальности заплесков палеоцунами оказываются занижены.

2.2. Методика реконструкции древних береговых линий в условиях быстрой проградации побережья (на примере побережья Камчатского залива)

В связи с тем, что уровень моря нестабилен за счет приливно-отливных и штормовых флуктуаций, под «береговой линией» в данной работе подразумевается верхняя граница активного пляжа, в пределах которого формируется береговой вал. Высота и форма формирующихся береговых валов зависит от волновой энергии, воздействующей на побережье, и от количества поступающих наносов. Высотное положение верхней границы активного пляжа в разные моменты времени может быть различным и контролируется относительным уровнем моря. Зарастание песчано-галечной поверхности берегового вала густой растительностью и появление на ней почвенного профиля означают, что вал вышел из зоны штормовой досягаемости и стал реликтовым (не активным). В геологическом разрезе, возрастная граница между морскими и перекрывающими их субаэральными отложениями соответствует времени окончания процесса формирования берегового вала. Таким образом,

пространственное положение берегового вала определенного возраста дает нам достаточно точное положение верхней границы активного пляжа на время его формирования.

При реконструкции береговых линий приходится сделать допущение о том, что в каждой конкретной точке побережья средняя волновая энергия (амплитуда волн) на протяжении последних ~ 2-3 тыс. лет оставалась практически постоянной. Также делается допущение о том, что аккумулятивные быстро проградирующие побережья не испытывают дефицита наносов. Таким образом, вариации в относительных высотах разновозрастных береговых валов следует считать связанными, в основном, с изменениями относительного уровня моря. На Камчатке максимальный абсолютный уровень моря в голоцене был достигнут в период 5.5-6.5 тыс. лет назад (Пинегина и др., 2010; Pinegina et al., 2003; Bourgeois et al., 2006, Pinegina et al., 2013). Следовательно, короткопериодные (десятки - сотни лет) крупноамплитудные (до нескольких метров) колебания относительного уровня моря на побережьях, расположенных вдоль зон субдукции и коллизии, являются результатом вертикальных тектонических движений. Это находит подтверждение в разновысотности одновозрастных голоценовых морских террас вдоль восточного побережья Камчатки (Пинегина и др., 2010; Kravchunovskaya et al., 2004; Martin et al., 2004; Pinegina, Bourgeois, 2004).

Древние береговые линии были, в частности, изучены на побережье Камчатского залива. Это исследование хорошо иллюстрирует применявшуюся методику и будет описано более детально. За последние примерно 3 тысячи лет побережье выдвинулось здесь на 4-6 километров в сторону моря. Через аккумулятивную морскую террасу, расположенную на правом берегу приустьевой части р. Камчатка с помощью нивелира был измерен топографический профиль. Вдоль профиля на береговых валах закладывались шурфы и описывались вскрытые в них разрезы. В разрезах выделялись горизонты вулканических пеплов и цунамигенных отложений. Возраст валов, т.е., то время, когда они перестали быть активными и перешли в реликтовую стадию, определялся по возрасту вулканических пеплов в основании перекрывающих валы почв. Полученные данные позволили примерно определить положение береговой линии в различные промежутки времени и, тем самым, реконструировать историю формирования морской аккумулятивной террасы (рис. 2.1).

Ширина современного активного пляжа, на котором отсутствует почвенный чехол и вулканические пеплы не сохраняются, составляет по профилю около 200 м. Предполагалось, что примерно такая же ширина активного пляжа сохранялась и в прошлом. Поэтому при реконструкции древних береговых линий по положению реликтового вала они дополнительно смещались на 200 м в сторону моря.

Отложения палеоцунами, представляющие собой прослои морских песков и галек в почвенном чехле, залегают между горизонтами вулканических пеплов. Зная примерное положение береговой линии (рис. 2.1) на каждый период,

Рис. 2.1. Район работ (А) и фрагмент аэрофотоснимка (Б) с точками наблюдений и палеогеоморфологической схемой на район исследований.

можно рассчитать горизонтальные и минимальные вертикальные заплески цунами. Высота верхней границы современного активного пляжа на морской террасе расположена в интервале 2.3 - 3.3 м над уровнем моря, в среднем 2.8 м. Можно округлить это значение до 3 м и прибавить его к высоте реконструированной границы древнего активного пляжа, существовавшего на момент цунами. Таким образом, минимальная высота палеоцунами определялась как разница между абсолютными высотами самого высокого вала, на котором были найдены следы цунами, и древней береговой линией плюс 3-х метровая поправка.

У' ШивелУч Ш ']

. Л

п-ов

•-/У " ' |-I Камчатский

в. Ключевской | ' \_ --'( .»"

'ш

к: 'А<20 км

—

Камчатский залив

-^000-1 положение верхней границы

....... активного пляжа на определенный

момент времени.

ВС / АО - гг. до нашей эры/

нашей эры

\в || положение шурфов и "" топографического

профиля измеренного через морскую террасу

В шурфах, заложенных на поверхности морской террасы, были выявлены восемь горизонтов отложений цунами, произошедших в последние -2500 лет (Пинегина и др., 2012), (таблица 2.1). Необходимо отметить, что данные по дальности заплеска и высотам палеоцунами в ряде случаев могут быть занижены. Это связано с тем, что: 1) оценки основаны лишь на высоте самого высокого берегового вала, через который перехлестнула волна; 2) точность определения положения береговой линии определяется разрешающей способностью метода тефрохронологии, а именно, - количеством идентифицированных пеплов в районе исследования.

Можно утверждать, что все идентифицированные цунами были сильными. Так, например, Чилийское цунами 1960 г. с высотой волн вдоль побережья Камчатского залива 2-4 м (Заякин, Лучинина, 1987) отложений цунами на побережье не оставило, т.е. его горизонтальный заплеск не превысил зоны штормовой досягаемости.

Таблица 2.1. Данные об исторических и палеоцунами в Камчатском заливе.

№ Возраст события Минимальная высота Минимальная

заплеска, м дальность заплеска, м

1 1923' >6 > 1800 м

2 1737 (1792?)1 >8 > 1600 м

3 550±250 >6 >500 м

4 1075±275 >4.5 >600 м

5 1425±75 >4 >250 м

6 1575±75 >4 >200 м

7 1775±125 >7 >300 м

8 2200±300 >8 > 500 м

возраст событий цунами в годах нашей эры (указан для исторических событий); Для

остальных цунами округленный возраст указан в годах относительно 1950 г.

2.3. Методика определения направлений и скоростей вертикальных движений побережий для реконструкции высот заплесков палеоцунами (на примере полуострова Камчатский).

Рассмотрим названную методику на примере полуострова Камчатский (рис. 2.1-А). Он расположен в зоне коллизионного сочленения Алеутской дуги с Камчаткой (Geist, Scholl, 1994), и для него характерны быстрые и резко дифференцированные тектонические движения. Это находит подтверждение в разновысотности одновозрастных голоценовых морских террас (Пинегина и др., 2010; Pinegina et al., 2013), (рис. 2.2).

Стандартная методика оценок скорости тектонических движений по морским террасам предполагает определение высотного положения тыловых швов террас (обычно абразионных) (например, Pedoja et al., 2006, 2013), маркирующих положение древних береговых линий в определенные моменты времени. Однако, такой подход обычно используется для древних (сотни тысяч лет) морских террас, а для голоценовых террас он оказывается слишком приблизительным.

Для того чтобы сравнивать абсолютные высоты террас на разных участках, недостаточно привести профили к единому уровню прилива. Это связано с тем, что разные участки побережья, в силу их разной экспозиции, преобладающей розы ветров, влияния подводного рельефа, подвергаются волновому воздействию разной интенсивности. В итоге, высота сформировавшейся террасы изначально не одинакова вдоль берега. Соответственно, на одних участках террасы накопление почвенно-пирокластического чехла (ППЧ) начинается на более низком гипсометрическом уровне, а на других - на более высоком. На побережье Камчатского полуострова высота верхней границы современного активного пляжа колеблется в пределах -3.5-7.5 м над уровнем моря. Иными словами, различная высота одновозрастной террасы на разных участках берега может быть обусловлена не только тектоническим фактором, но и разной волновой энергией. Из этого следует, что непосредственно коррелировать террасы на разных участках берега нельзя. В то же время, можно сравнивать высоты разновозрастных террас в

какой-то одной точке берега (вдоль линии одного профиля), допустив, что волновая энергия в одной точке остается, практически неизменной на протяжении нескольких тысяч лет.

слагающих террасы - 1500-2000 лет, высота террас варьирует в зависимости от скорости

поднятия.

Сравнение высот террас на разных участках берега

Для того, чтобы сравнивать высоты террас на разных участках берега, автором предложена методика, основные положения которой сводятся к следующим:

1) Верхняя высотная граница активной береговой зоны маркируется началом густой растительности. Эта точка отмечалась на профилях как dense vegetation. Наблюдения показали, что несомкнутые группировки пионерных видов могут в течение нескольких лет поселиться в зоне пляжа, активной лишь во время сильнейших штормов. В то же время, густая растительность занимает лишь те участки террасы, которые окончательно вышли из зоны штормовой досягаемости, и на которых может формироваться почвенный чехол.

2) Существуют два типа выклинивания пепловых прослоев в разрезах ППЧ при их прослеживании от суши в сторону моря: (А) постепенное и (Б) резкое.

(А) Пепел выклинивается постепенно

В случае (А) пепел выклинивается постепенно, заглубляясь относительно земной поверхности и, затем, мористее, исчезая. Точка профиля, в которой пепел начинает заглубляться, называется «точкой выклинивания». Эта точка находилась на границе активной береговой зоны, то есть в точке dense vegetation на момент выпадения пепла. Отсюда следует, что высота над уровнем моря точки выкпинивания пепла на момент его выпадения равнялась современной высоте над уровнем моря точки dense vegetation (рис. 2.3).

О ._.._

3- ¡4

Is 1 6 - ; с ]

Рис. 2.3. Схематический топографический профиль. Море находится слева; чёрная линия -современная земная поверхность; сплошная серая линия - горизонт вулканического пепла, маркирующий земную поверхность на момент его выпадения; пунктирная серая линия маркирует поверхность вала верхней части активного пляжа на момент выпадения пепла; черные прямоугольники - геологические шурфы, заложенные вдоль топографического профиля. Цифрами показаны: 1- средний уровень моря; 2 - зона активного пляжа; 3 - зона несомкнутой пионерной растительности; 4 - верхняя граница активного пляжа, она же точка «dense vegetation»; 5 - точка выклинивания вулканического пепла; 6 - зона выклинивания вулканического пепла.

Постепенное выклинивание пеплов объясняется тем, что когда пепел выпадает на поверхность морской аккумулятивной террасы, он перекрывает как её реликтовые густо заросшие участки, так и активный береговой вал, включая зону несомкнутой пионерной растительности. Если пепел выпадал на густо заросшие участки реликтовой террасы, его можно найти в почве, поскольку на реликтовой террасе происходит почвообразовательный процесс. Если пепел выпадал на участки террасы, сравнительно недавно вышедшие из зоны активного волнового воздействия, где только поселяется пионерная растительность, то он залегал в разрезе на практически чистом песке, поскольку, как до, так и сразу после выпадения пепла, почвообразовательные процессы здесь почти отсутствовали, но были активны эоловые процессы. В нижней части активного пляжа, ежегодно подвергающейся штормам, пепел не сохраняется или сохраняется линзами в перемытом и переотложенном виде. Таким образом, постепенность выклинивания пепла связана с постепенностью перехода от хорошо заросшей реликтовой террасы к активному береговому валу. На рис. 2.3 видно, что над пеплом со стороны моря накопилось гораздо больше отложений, чем со стороны суши, за один и тот же промежуток времени. Связано такое интенсивное накопление отложений, в основном с эоловыми процессами. Таким образом, постепенное выклинивание пепла и его заглубление в песок относительно уровня современной земной поверхности является индикационным признаком непрерывности процесса аккумуляции морских отложений с момента выпадения пепла и до настоящего времени, а точка выклинивания пепла служит палеоаналогом современной точки dense vegetation на современном топографическом профиле и маркирует положение границы древней береговой зоны на момент выпадения вулканического пепла. Если удается найти точку выклинивания пепла, то в этом случае и возраст, и положение границы древней береговой зоны определяются наиболее точно. Вся

ширина «зоны выклинивания пепла», то есть расстояние от шурфа, где пепел лежит в почве субпараллельно современной земной поверхности, до шурфа, где он встречается в последний раз, обычно составляет порядка 40-50 метров (в районе Камчатского полуострова). Ширина зоны выклинивания определяется шириной зоны пионерной растительности на момент выпадения пепла.

(Б) Пепел обрывается резко

Это означает, что тот участок террасы, на котором он плавно заглублялся, был уничтожен в результате существенного размыва. Отсутствие зоны заглубления пепла - это своего рода угловое несогласие в строении морской террасы, которое является индикатором размыва (рис. 2.4).

В результате размыва теряется информация о точном положении береговой линии на момент выпадения пепла. Можно сказать только, что самый молодой, ближний к морю вал, на котором встречается пепел, древнее этого пепла. В то же время, размыв происходил уже после выпадения пепла, который им оборван. Следовательно, если приходится восстанавливать границу древней береговой зоны по резко выклинивающемуся пеплу, точно устанавливается ее положение по точке выклинивания пепла, но возраст - только приблизительно, в интервале между размытым и перекрывающим его не размытым вулканическим пеплом.

Степень подробности, с которой удаётся восстановить историю развития морской террасы, определяется частотой выпадения вулканических пеплов. В связи с неравномерностью тефрохронологической шкалы, для одних временных интервалов восстановленная история оказывается подробнее, чем для других.

линия - современная земная поверхность; светло-серая линия - горизонт вулканического пепла, резко обрывающегося на уступе размыва (пунктир); тёмно-серая линия - горизонт вулканического пепла, маркирующий земную поверхность после окончания размыва и возобновления проградации морской террасы (выдвижения в сторону моря за счет аккумуляции или поднятия); черные прямоугольники показывают положение геологических шурфов. Размыв террасы по времени происходил между выпадением «светло-серого» и «тёмно-серого» пеплов.

Использование описанной выше методики позволило сделать оценку высот заплесков палеоцунами в районе Камчатского полуострова, отличающегося большими скоростями поднятий (до 15 мм/год).

2.4. Геоморфологические следы эрозионного воздействия палеоцунами

Следы эрозионного воздействия сильных цунами можно увидеть практически на всех побережьях подверженных цунами. По данным полевых обследований следов недавних цунами было выяснено, что сильнее всего

эродирующий эффект проявляется на ближайшем к морю склоне, либо на ближайшем береговом валу. Первый, наиболее близкий к морю крутой береговой вал оказывается иногда «пропилен» цунами, либо разбит на серию фрагментов. Данные, собранные автором показали, что подобные формы рельефа (tsunami scours в англоязычной литературе) способны сохраниться на аккумулятивном побережье длительное время и свидетельствовать о прошлых катастрофических цунами (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Эрозионные цунамигенные фестоны и борозды на побережье Камчатского залива видимые на космическом снимке SPOT. На момент цунами береговые валы, осложненные эрозионными цунамигенными формами рельефа, находились на верхней границе активного пляжа

Таким образом, выделив на аэрофотоснимке береговой вал, осложненный эрозионными формами рельефа, можно сказать, что на момент сильного цунами именно он маркировал границу между активным пляжем и реликтовыми валами. Определив возраст нарушенного эрозией вала, можно судить о времени, когда произошло цунами. Анализ азимутов простирания эрозионных промоин может помочь в определении направления подхода цунами.

ГЛАВА 3 КОСЕЙСМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ ПОБЕРЕЖИЙ 3.1. Общая модель косейсмических деформаций побережий Согласно геодезическим, а в последнее время и GPS данным, сильные межплитные землетрясения вызывают вертикальные косейсмические деформации на побережьях, расположенных даже в нескольких сотнях километров от глубоководных желобов.

Наблюдения, проведённые после некоторых крупнейших исторических землетрясений (например, Чилийского I960, Mw=9.5; Аляскинского 1964, Mw=9.2; Индонезийских 2004, Mw=9.5 и 2005, Mw=8.6; Японского Тохоку 2011, Mw=9.1 и др.), показали, что земная поверхность, над ближайшей к желобу частью очага (на взброшенном крыле), во время субдукционного землетрясения испытывает поднятие. В то же время область, расположенная ближе к вулканической дуге, над более глубокой частью очага, опускается. Амплитуды зарегистрированных на побережьях косейсмических поднятий достигали 4-6 м, амплитуды же опусканий не превышали 1-2 м (McCalpin, 2009).

Считается, что цунамигенные землетрясения и косейсмические деформации в зоне субдукции, могут быть вызваны подвижкой по плоскости мегаразлома на глубине до 70-85 км (Satake, 1993). Однако, как правило, глубина очагов

исторических цуиамигенных землетрясений, вызвавших значительные цунами, не превышала 30-50 км. Кроме того на погружающейся плите (лежачее крыло мегаразлома) перед зоной субдукции происходят землетрясения со сбросовым механизмом (т.н. outer-rise earthquakes). Они также могут быть цунамигенными, однако не вызывают косейсмических деформаций на поднятом крыле.

Форма деформаций, происходящих на морском дне, и собственно величина подвижки определяет форму, амплитуду и длину волн цунами. Ширина зоны, испытавшей косейсмические деформации, зависит от величины подвижки, ширины очага землетрясения, угла падения плоскости разлома. Последняя величина, как правило, постоянна для отдельных сегментов зоны субдукции.

Камчатская зона субдукции

Для Курило-Камчатского региона в зоне непосредственного взаимодействия Тихоокеанской и Северо-Американской (Охотской) плит при анализе сейсмичности выделяют (Авдейко и др, 2001; Авдейко, Палуева, 2010): 1) пологий участок с падением плоскости сместителя на северо-запад под углом 10-14° (зона контакта двух плит); 2) зону резкого изгиба Тихоокеанской плиты, где угол падения на небольшом участке увеличивается до 50° (зона изгиба); 3) зону крутого падения сейсмофокапьной зоны (зона Беньофа), в среднем от 35-40° в районе Южных Курил до 50-55° под Камчаткой (Ландер, 2000).

Ось Курило-Камчатского желоба протягивается в 100-240 км от линии побережья Камчатки и Курильских островов. За время инструментальных наблюдений, самое сильное землетрясение произошло на юге Камчатки 5 ноября 1952 г. Ретроспективно его магнитуда была оценена как Mw~9-9.2 (Maclnnes et al., 2010). Автором было проведено компьютерное моделирование деформаций земной поверхности по методике Okada (Surface displacement, strain, tilt due to finite fault, coded by Y.Okada, Jan 1985), (Okada, 1985). В модель заложены результаты инверсии (Jonson, Satake, 1999), в варианте постоянной подвижки по площадке очага землетрясения 1952 г. Использовались следующие параметры: длина очага 600 км, ширина 200 км, глубина центра прямоугольника 22.6 км, простирание 214°, падение 13°, величина подвижки 5 м. Полученная модель деформаций поверхности весьма приблизительна, т.к. не учитывает гетерогенности и мультисегментности разрыва, разных величин подвижек по отдельным сегментам, однако дает представление об общих тенденциях вертикальных движений побережий. Так же промоделировано еще 3 гипотетических землетрясения, имеющих сходные с 1952 г. параметры очага, с той лишь разницей что: гипотетическое землетрясение 1 имеет ширину очага 100 км; гипотетическое землетрясение 2 имеет ширину очага 100 км и глубину центра 5 км; гипотетическое землетрясение 3 имеет ширину очага 50 км. Моделирование проводилось для того, чтобы выяснить, при каких параметрах очагов следует ожидать заметные (с геологической точки зрения) косейсмические деформации на побережье Камчатки. Результаты моделирования представлены на рис. 3.1. Как видно, в зависимости от ширины

гипотетическое 3 длина - 600 км ширина 50 км. глубина 22.6 км. падение 13°. простирание 214

площадки очага землетрясения, один и тот же район побережья может

испытывать либо опускания, либо поднятия.

—нояняинвш-

длина - 600 км ширина 200 км, глубина 22.6 км, падение 13.°, простирание 214

гипотетическое 2 длина - 600 км ширина 100 км, глубина 5 км. падение 13", простирание 214

-заливы полуострова

200-24U км 100-150 км

400 ' 300 ' 200 100 1 0

1952- гипотетическое 1- гипотетическое 2 гипотетическое 3

Рис. 3.1. Модели деформации земной поверхности в очаге землетрясения 1952 г. и в очагах гипотетических землетрясений: А - вид в плане (красные линии оконтуривают деформации поднятия, синие — опускания); Б — вид в разрезе.

Из результатов моделирования следует, что заметные косейсмические опускания на побережьях крупных заливов способны вызывать лишь самые

сильные межплитные землетрясения с широкими очаговыми зонами в 100-200 км. Такие землетрясения могут сопровождаться поднятиями восточных полуостровов - Шипунского и Кроноцкого. В результате землетрясений с более узкими очагами (100-50 км), на побережье полуостровов, наиболее приближенных к желобу, можно ожидать косейсмические опускания. Таким образом, исследуя косейсмические деформации побережий можно реконструировать параметры очагов доисторических событий. Землетрясения, вызывающие значительные косейсмические деформации на берегах всегда опасны еще и тем, что сопровождаются катастрофическими цунами. В свою очередь, эффекты от цунами могут быть еще более разрушительными, если побережье испытало косейсмическое опускание. Если говорить о Камчатке в целом, очаги землетрясений, аналогичных промоделированным, вероятно могут находиться на любом отрезке зоны субдукции.

По результатам моделирования видно, что наиболее контрастные и крупноамплитудные косейсмические вертикальные движения следует ожидать на полуостровах (Шипунском и Кроноцком). На побережьях этих полуостровов сохранились морские плейстоценовые террасы, что свидетельствует об общем тектоническом поднятии территории. На модели (рис. 3.1) видно, что поднятие территории полуостровов может обеспечиваться за счет суммарного эффекта от косейсмических поднятий по сценарию 1952 г (ширина очаговой зоны 200 км).

Обращает на себя внимание то, что наиболее удаленные от Курило-Камчатского желоба побережья крупных заливов (Камчатский, Кроноцкий, Авачинский, а так-же о-ва Шумшу и Парамушир), по-видимому, во время самых сильных событий, могут испытывать косейсмические опускания (рис. 3.1). Полученные результаты моделирования хорошо согласуется с геологическими данными: в центральных частях заливов не сохранились плейстоценовые морские террасы, и также нет голоценовых морских террас возраста ~6 тысяч лет (время стабилизации уровня моря в голоцене). Как правило, возраст голоценовых террас в центральных частях заливов не древнее 2-3.5 тыс. лет. Побережья этих заливов несут геолого-геоморфологические признаки опусканий.

Судя по модели, побережье южной Камчатки периодически может испытывать как косейсмические опускания, так и поднятия. Это также хорошо согласуются с полученными в ходе полевых исследований геологическими данными (рис. 3.2).

Для побережий бухт Ходутка, Вестник и Утюжная, характерен контрастный прибрежный рельеф — с высокими береговыми валами, глубокими межваловыми понижениями, и общим наклоном рельефа в сторону суши. Такой рельеф свидетельствует о наличии крупноамплитудных разнонаправленных вертикальных движениях в разные периоды сейсмического цикла, и об общем результирующем опускании. В пользу общего опускания побережья свидетельствует также отсутствие на юге Камчатки плейстоценовых морских террас, присутствующих на выступающих полуостровах восточной Камчатки (Пинегина и др., 2010; Рескуа а1„ 2006, 2013).

100 300

Рис. 3.2. Характерные для разных участков побережья южной Камчатки топографические профили, измеренные вкрест простирания морских голоценовых террас от уреза воды. Высота (вертикальная шкала) и расстояние (горизонтальная шкала) указаны в метрах над уровнем моря (на всех профилях море - слева).

3.2. Исторические примеры косейсмических деформаций на побережьях

В разделе описаны примеры косейсмических деформаций, произошедших в результате сильнейших исторических землетрясений. Приведенные примеры наглядно демонстрируют характер косейсмических деформаций на побережьях вдоль зон субдукции. Конечно, подобные деформации могут происходить и вне зон субдукции, а в результате, например, подвижек по коровым разломам. Недавний пример тому - Невельское землетрясение 2007 г., в результате которого участок западного побережья о. Сахалин поднялся на несколько метров. Однако наибольших площадных масштабов эти явления достигают в субдукционных обстановках, в ходе наиболее сильных землетрясений с М\у~8.5-9.

3.3. Геолого-геоморфологические признаки косейсмических деформаций, методы их идентификации, датирования, определения амплитуд

Главные вопросы, решаемые при исследовании косейсмических деформаций прошлого, следующие: 1) их идентификация; 2) датировка; 3) оценка амплитуд.

3.3.1. Выраженность косейсмических деформаг1ий в рельефе

Косейсмические деформации прошлого находят отражение, прежде всего,

в рельефе. О них свидетельствует нахождение в настоящее время под водой форм рельефа, сформировавшихся первично в субаэральной обстановке, на небольшой высоте над уровнем моря. Вследствие даже незначительного (первые метр-два) поднятия относительного уровня моря, эти формы рельефа могут оказаться затопленными. К таким формам прибрежного рельефа относятся, прежде всего, береговые валы и межваловые понижения, затопленные дельты рек и низкие речные террасы. Надежным геоморфологическим признаком преобладающих направлений тектонических движений аккумулятивных морских террас, и типа движений (резкие или постепенные), является характер топографического профиля, измеренного вкрест простирания береговых валов перпендикулярно береговой линии. В случае резких косейсмических опусканий или поднятий, высота береговых валов, сформированных до косейсмической деформации и после, будет заметно отличаться, а в топографическом профиле будет видна ступень.

3.3.2. Выраженность косейсмических деформаций в геологическом строении побережий

Косейсмические деформации оказывают влияние как на прибрежные формы рельефа, так и на обстановки осадконакопления. Это определяется в первую очередь тем, что в результате вертикальных движений побережья меняется фациальная обстановка, водный, солевой режим и т.д. Это в свою очередь сказывается на составе материала, слагающего морские террасы, прибрежные болота, лагуны, устьевые части рек. В США, Канаде и Японии широкое применение нашли методы реконструкций палеоземлетрясений по погребенным почвам и погибшим деревьям.

Если при косейсмических поднятиях на побережье образуются видимые формы рельефа в виде ступеней морских террас, которые можно датировать и изучать непосредственно, то идентификация опусканий (т.е. относительного поднятия уровня моря) с геологической точки зрения гораздо сложнее. Упрощенно, схему развития побережья можно описать так: после опускания на побережье происходит размыв береговых валов и формирование нового вала, перекрывающего более старый вал (рис. 3.3).

почва

проградация берега до косейсмического опускания

молодые штормовые отложения

уступ /

Рис. 3.3. Схема, показывающая механизм образования погребенного уступа размыва (buried scarp) на морской аккумулятивной террасе в результате косейсмического опускания побережья.

молодой наложенный вал

Спустя некоторое время (первые годы - десятки лет) на берегу устанавливается новый профиль равновесия, размыв прекращается, и проградация берега возобновляется (при условии достаточного количества наносов).

Если вкрест простирания молодого и более древнего береговых валов заложить канаву, то в ее стенке будет видна субгоризонтальная морская слоистость древнего вала, и слоистость отложений вала, наложенного на древний вал. Место причленения валов соответствует т.н. погребенному уступу размыва (buried scarp), (рис. 3.4).

3.3.3. Методы и подходы при поиске местоположения погребенных

уступов размывов

В современной литературе существует очень ограниченное количество публикаций, в которых рассматривается методика идентификации и изучения погребенных уступов размыва на побережьях (Пинегина, Кожурин, 2010; Meyers et al., 1996; Pinegina et al., 2007; Tarnura et al., 2008). Один из новых методов при поиске погребенных уступов на побережье - георадарные исследования. _______ _____

Рис. 3.4. Погребенный уступ размыва, вскрытый в обнажении в устьевой части р. Инканюш, южная Камчатка. Обнажение расположено перпендикулярно береговой линии Погребенный уступ маркируется угловым несогласием, срезающим отложения древнего берегового вала. Возраст уступа около 3000 лет. Фото Дж. Буржуа.

На Камчатке и северных Курилах поиск и исследование погребенных уступов с использованием георадара «Око» проводились автором с 2005 г. Обычно использовались 3 антенны с центральной частотой 700, 250 и 50 МГц (с максимальной глубиной зондирования 3, 8 и 25 м и разрешающей способностью 0.1, 0.2, 0.5-1 м соответственно).

Опыт наших исследований показал, что георадарное зондирование на морских террасах необходимо проводить вкрест простирания древних

береговых линий. Именно в этом направлении происходит размыв морских террас при опускании побережья. Перед георадарным зондированием необходимо выполнить топографическое профилирование, и затем точно привязать к ним георадарные профили. В этом случае на радарограммах видны сигналы переотражения, соответствующие границам согласно залегающих пологонаклонных в сторону моря прослоев песков или галек. Уступы размыва на радарограммах представляют собой более круто падающие в сторону моря границы, соответствующие стратиграфическим и угловым несогласиям (рис. 3.5).

Часто по границе таких несогласий, которые вырабатываются под волновым воздействием, происходит накопление темноцветных минералов (например, магнетита), что усиливает сигнал на радарограмме (Meyers et al., 1996). После того как положение предполагаемых погребенных уступов размыва выявлено, их необходимо вскрыть шурфами и провести детальное обследование. Не все погребенные уступы в теле террасы связаны с косейсмическими опусканиями побережья. Критерием для выделения именно косейсмических уступов размыва служат их примерная одновозрастность вдоль большого участка побережья, совпадение по возрасту с отложениями цунами, сопровождавшего землетрясение, и с прослоями перекрытых илистыми отложениями почв и торфов на удаленных от моря заросших лагунах и т.д. (Пинегина, 2009).

Предварительно участки, перспективные для поиска погребенных уступов с помощью георадара, можно намечать по результатам дистанционных исследований, на основе анализа аэрофотоснимков и спектральных космических снимков. Было замечено, что более древние участки террас и более молодые, образованные после косейсмической деформации, часто отличаются по видовому составу растительности, почв, в ряде случаев и по морфологии береговых валов (Кравчуновская и др., 2010).

Рис. 3.5. Фрагмент радарограммы, измеренной антенной АБ 250 МГц вкрест простирания береговых валов (море слева). Положение погребенного уступа размыва показано белыми стрелками. Справа от уступа находится древний участок морской террасы, слева - наложенный молодой вал (Пинегина, Кожурин, 2010). Реальность погребенного уступа подтверждена шурфом. Максимальная глубина радарограммы 8 м.

молодые штормовые отложения

^^ : пожения цунами .....

эта почва сформировалась после опускания и до возобновления проградации

погребенный эрозионный уступ.

3.3.4. Датирование косейсмических деформаций

На Дальнем Востоке России, в частности на Камчатке и Курильских островах, датирование сейсмических событий прошлого связано с возможностью применения метода тефрохронологии (Брайцева и др., 1985, ВгаНБеуа е1 а1., 1997), что уже во время полевых работ позволяет коррелировать и примерно датировать отложения и формы рельефа.

Если говорить о датировании косейсмических опусканий на побережье, то в общем, датирование верхней части поверхности древней террасы и подошвы перекрывающего ее молодого вала позволяет определить, когда примерно прекратился размыв древней террасы и уступ размыва перешел в реликтовую стадию. Однако на практике определение возраста косейсмической деформации оказывается гораздо более сложной и комплексной проблемой.

Рассмотрим строение погребенного уступа более детально. На. Рис. 3.6 видно, что собственно возраст погребенного уступа (возраст перекрывающих уступ отложений непосредственно по контакту с более древней частью морской террасы) всегда моложе времени, когда произошло косейсмическое опускание, т.е. уступ образуется после опускания. Возраст уступа соответствует времени окончания размыва и началу аккумуляции. Возраст же подошвы почвенно-пирокластического чехла сохранившейся части древней не размытой террасы может быть значительно древнее момента опускания. Отсюда следует неоднозначность в датировке палеосейсмических событий._

современная

поверхность

молодой наложенный вал

палеоповерхность .... (до сейсмического события)

Рис. 3.6. Детальное строение участка террасы с погребенным уступом.

Современная поверхность в месте, где расположен уступ, может отличаться по высоте видимых в рельефе береговых валов, хотя это отличие проявляется далеко не во всех случаях. Отложения, перекрывающие уступ размыва обычно состоят из двух пачек — пачки молодых штормовых отложений, образованных в то время, когда уступ был еще активным и продвигался благодаря эрозии в сторону суши, и пачки штормовых отложений, образованных уже после возобновления аккумуляции и проградации. Эти пачки обычно имеют несогласное залегание — вторая, более молодая, срезает первую. Далее, вниз по разрезу можно встретить погребенную почву или погребенную

дернину (почвенный горизонт А0), который сформировался уже после косейсмического опускания, когда берег продолжал размываться и отодвигаться в сторону суши. Однако этот горизонт может быть узнаваем в разрезе только лишь в том случае, если период времени, когда происходил размыв, достаточно велик, либо при очень высокой скорости почвообразования. Как правило, этот горизонт не идентифицируется. Ниже по разрезу можно увидеть прослой отложений цунами. В подавляющем большинстве случаев, землетрясения, вызвавшие косейсмические деформации, сопровождаются катастрофическими цунами, и их датирование даст нам наиболее приближенный к реальности возраст землетрясения. Отложения цунами необходимо проследить в сторону побережья на некоторое расстояние от уступа, чтобы уверенно отличить их от молодых штормовых отложений, перекрывающих погребенный уступ. Сильное цунами, с одной стороны, подтверждает косейсмическую природу погребенного уступа, с другой стороны — наличие уступа позволяет отделить наиболее сильные землетрясения в определенном сегменте зоны субдукции от прочих событий. Под отложениями цунами необходимо выделить земную палеоповерхность, существовавшую на момент сейсмического события. Необходимо детально изучить ее контакт с отложениями цунами, и отобрать образцы для радиоуглеродного датирования из того участка, где контакт не несет следов цунамигенной эрозии. В этом случае можно получить наиболее точную дату палеосейсмического события. Для временной привязки таких событий желательно иметь как минимум несколько дат для разных участков побережья. При их хорошем совпадении выделение и датирование крупного сейсмического события может считаться надежным.

3.3.5. Определение амплитуды остаточного косейсмического опускания

После косейсмического опускания или поднятия побережья, крупноамплитудные деформации некоторое время продолжаются (постсейсмические деформации). По знаку они, как правило, совпадают с направлением косейсмической деформации, а по амплитуде могут быть даже сопоставимы. Затем, во время интерсейсмической стадии сейсмического цикла, скорость деформаций уменьшается, меняется знак движений (МсСа1рт, 2009). Поэтому, оценивая амплитуду косейсмических деформаций отдельных палеосейсмических событий, мы, по сути, оцениваем остаточные амплитуды косейсмических деформаций.

В настоящее время вопрос определения амплитуд косейсмических деформаций на аккумулятивных морских побережьях не изучен. Дело в том, что даже если допустить, что после возобновления проградации энергия волн, воздействующих на побережье, соответствует энергии до сейсмического события, и, следовательно, вновь формирующиеся береговые валы по высоте соответствуют валам размытым после опускания, мы не можем точно определить амплитуду косейсмического опускания. За амплитуду опускания в этом случае нельзя брать высотную разницу между молодым валом, перекрывающим уступ размыва и высотой палеоповерхности на бровке погребенного уступа. Это связано с тем, что мы как правило, не знаем, какая

именно часть древнего погребенного вала сохранилась: вершинная, тыловая, или межваловое понижение. В связи с этим, наиболее правильно оценить амплитуду косейсмического опускания можно с помощью предложенного автором принципа «общего тренда» (рис. 3.7). Для этого: 1) через морскую террасу вкрест простирания береговых валов нужно измерить топографический профиль; 2) по разные стороны от погребенного уступа по измеренному профилю нужно провести линию, наилучшим образом соответствующую вершинной поверхности береговых валов.

Линии тренда в целом нивелируют локальные размывы от воздействия цунами, эоловые наложенные формы, бугры пучения и т.д. Поэтому длина линий должна во много раз превосходить ширину отдельно взятых береговых валов на конкретном участке берега. Кроме того, при выборе места для заложения топографического профиля необходимо выбирать участки валов, наименее подверженные экзогенным процессам.

Камчатский залив, к северу от устья р. Сторож

Рис. 3.7. Пример оценки амплитуды косейсмического опускания на побережье Камчатского залива по методу линий трендов. Море находится слева.

ГЛАВА 4. РЕКОНСТРУКЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ВДОЛЬ ВОСТОЧНОЙ КАМЧАТКИ ПО ОТЛОЖЕНИЯМ ПАЛЕОЦУНАМИ 4.1. Общие принципы реконструкции параметров палеоцунами и очаговых зон цунамигенных землетрясений

Ширина ближней зоны побережья, где цунами имеют максимальные вертикальные заплески, примерно сопоставима с длиной очага или несколько превышает ее (Geist, Dmowska, 1999). Если рассматривать большой по протяженности участок побережья, можно собрать данные по проявлениям цунами на разных типах берегов и получить весь набор необходимых данных, как по высоте, так и по дальности заплеска цунами. Итак, принцип №1 при реконструкции параметров палеоцунами можно сформулировать как «принцип протяженности участка обследования».

Цунами могут иметь как аккумулятивный, так и эрозионный эффект. Поэтому нельзя ожидать, что в одном или нескольких шурфах можно выявить все цунамигенные горизонты и на этой основе рассчитать повторяемость всех событий. Опыт многолетних исследований показал, что для получения надежных данных о проявлениях конкретного палеоцунами необходимо строить

сводный разрез на основе описаний, по крайней мере, нескольких десятков шурфов. Принцип №2 может быть сформулирован как «принцип множественности разрезов».

Важный вопрос - точность корреляции и датировка палеосейсмических событий. Исходя из того, что ошибка в возрастах отложений, определенных по радиоуглеродному методу, может достигать от нескольких десятков до нескольких сотен лет, наиболее приемлемым для условий Камчатки является использование метода тефрохронологии (Брайцева и др., 1985). Он позволяет точно коррелировать геологические разрезы от шурфа к шурфу и примерно датировать возраст отложений цунами в пределах временных промежутков ограниченных пеплами.

Подготавливая входные данные для построения графиков распределения высот цунами, горизонтальных заплесков, повторяемости и т.д., необходимо тщательно анализировать местоположение каждого шурфа, его место на топографическом профиле и его геологическое строение по сравнению с соседними шурфами. Итак, принцип №3 можно кратко назвать «принципом геологической интерпретации данных».

4.2. Отложения палеоцунами вдоль восточной Камчатки и северных Курильских островов

4.2.1 Беринговоморское побережье Камчатки и о. Карагинский

Работы по изучению отложений палеоцунами на побережье Берингова моря проводились в 1998-1999, 2002-2004, 2009 гг. В целом за время исследований был изучен участок берега общей протяженностью около 360 км, заложено 34 профиля, описано 142 шурфа. На сводном рис. 4.1 показано пространственно-временное распределение реконструированных событий цунами в Беринговом море для последних -2000 лет. На рисунке также показаны данные по 17 топографическим профилям и 52 шурфам на полуострове Камчатский, представленные в главе 2. Нет прямых оснований считать, что цунами в Камчатском проливе и в Беринговом море имели единые источники. Возможно, они происходили от разных сейсмических событий, сближенных во времени. В связи с этим, на рис. 4.1 линии, протягивающиеся к п-ову Камчатский, показаны пунктиром.

Оказалось, что очаги цунамигенных землетрясений, как правило, меньше (короче) зон воздействия волн цунами на побережье, восстановленных по геологическим данным. Это хорошо иллюстрируется на примере цунами 1969 г. По протяженности облака афтершоков первых нескольких дней, длина очага землетрясения не превысила 150 км, а длина побережья, охваченная цунами с высотой >5 м, составила 230-250 км. С размерами очага землетрясения хорошо согласуется длина побережья испытавшего максимальные заплески с высотой >7-8 м.

Очаг цунами 1971 г. (рис. 4.1) находился не в Беринговом море. Высокие заплески этого цунами (ц1971 на рис. 4.1) были выявлены лишь в южной части п-ова Камчатский (Martin et al., 2008) - там, где цунами 1969 г. уже не оставило геологических следов на побережье. Можно думать, что все очаги

100 км

палеоземлетрясений в Беринговом море ограничены с юга трансформными разломами западного окончания Алеутской дуги и в Камчатский залив не продолжаются.

Сравнивая реконструированные параметры палеоцунами с параметрами исторических цунами 1969 и 1971 гг., можно предположить, что за последние -2000 лет в Беринговом море не происходило землетрясений, намного превышавших по магнитуде землетрясение 1969 г. (М\у=7.8-8.0). Средняя повторяемость цунамигенных землетрясений за последние -2000 лет составляет около 290-250 лет в северной и центральной частях пролива Литке, 175 лет для залива Озерной и полуострова Озерной, 146 лет для Камчатского пролива.

250 АР 600 Ай

1650 Ай 1854 1964

ц1969

ЯШ

■ 1 ■ т

шь

Ц1971

1000 Ай 2000 АР

годы нашей эры

Рис. 4.1. Реконструкция зон воздействия отдельных цунами на Камчатское побережье Берингова моря. Очаги исторических цунами 1969 и 1971 гг. показаны овалами. Длина очаговой зоны землетрясения 1969 г., определенная по сейсмологическим данным, составила -2/3 - 1/2 от длины побережья в зоне воздействия цунами 1969 г. Цифрами отмечены районы исследований. Полупрозрачные зоны с розовой заливкой соответствуют участкам детальных исследований (с севера на юг): на о. Карагинский, в Укинском заливе, на п-ове Озерном, в устье р. Столбовой, на п-ове Камчатском. События цунами (черные столбцы) распределены условно равномерно в промежутках между вулканическими пеплами (серые линии). Светлосерые полосы соответствуют погрешности в определениях возрастов вулканических пеплов. Здесь и далее АО - годы нашей эры (н.э.).

Основная особенность проявлений цунами в Беринговом море -относительно короткие горизонтальные заплески на суше (первые сотни метров) и высоты в пределах 10 м. Однако они представляют реальную угрозу для населения, так как большинство поселков на побережье расположено на узких косах в устьях рек, на высоте 4-5 м над уровнем моря.

4.2.2 Отложения палеоцунами на побережье Камчатского залива

Работы по изучению отложений цунами в Камчатском заливе проводились на протяжении полевых сезонов 2001, 2005, 2012-13 гг. Районы исследований включили: морскую аккумулятивную террасу на правом берегу р. Камчатка (рядом с пос. Усть-Камчатск), побережье в районе впадения рек Быстрая (Кумрочевская), Адриановка, Сторож, Малая Чажма, Большая Чажма.

Длина береговой линии Камчатского залива составляет около 150 км, длина побережья охваченного исследованиями - порядка 70 км. В ходе обработки полученных материалов были использованы данные по 16 топографическим профилям и 142 шурфам, шурфы закладывались на высоте от 0 до 17 м на расстоянии от уреза от 70 до 1750 м.

На сводном рис. 4.2 показано пространственно-временное распределение реконструированных зон воздействий цунами на побережье Камчатского залива для последних -2000 лет.

250 AD 600 AD 950 AD

1907

Ц1923

Ц1997

годы нашей эры

Рис. 4.2. Реконструкция зон воздействия отдельных цунами на побережье Камчатского залива. События цунами (черные и зеленые столбцы) распределены равномерно в промежутках между вулканическими пеплами (серые линии). Зеленые столбцы - отложения цунами, сопряженные с землетрясениями, вызвавшими косейсмические опускания побережья. Светло-серые полосы соответствуют погрешности в определениях возрастов вулканических пеплов. Внутри временных промежутков между пеплами черные столбцы распределены условно равномерно. Очаги исторических цунами 1923 и 1997 гг. показаны овалами. Зоны с розовой заливкой соответствуют районам детальных исследований (с севера на юг): район Усть-Камчатска, устье рек Быстрая и Адриановка, устье р. Сторож, устья рек Малая и Большая Чажмы.

Землетрясения, сопровождавшиеся косейсмическими деформациями на побережье (произошедшие около 1000 лет назад и несколько сотен лет назад), по-видимому, имели единые протяженные очаговые зоны. С севера они ограничивались западным окончанием Алеутской островной дуги, а на юг они могли продолжаться и в Кроноцкий залив. Сравнивая высоты и горизонтальные заплески исторических цунами с параметрами палеоцунами, можно утверждать, что цунами 13.04.1923 г. с М до 8.2 по A.A. Гусеву (Гусев, 2004) являлось одним из наиболее сильных за последние -2000 лет. Однако, наличие двух событий, сопровождавшихся крупноамплитудными (до нескольких метров) косейсмическими опусканиями на берегу, может свидетельствовать о возможности возникновения в Камчатском заливе катастрофических землетрясений с М>8.2 с периодом повторяемости примерно раз в тысячу лет.

Средняя повторяемость цунами с высотами свыше 3-4 м в Камчатском заливе составляет 125-145 лет. По аналогии с историческими землетрясениями, их магнитуды можно оценить как М>7.5. Вместе с тем, на рисунке 4.2 видно,

что период повторяемости землетрясений варьирует в широком диапазоне для разных промежутков времени. Так, например, если в период между -250 и -600 гг. н.э. в Камчатском заливе произошло предположительно два цунамигенных землетрясения, то в период между -600 и -950 гг. н.э. - четыре.

4.2.3 Отложения палеоцунами на побережье Кроноцкого залива

Отложения цунами на побережье Кроноцкого залива изучены в меньшей

степени, чем в других районах. Исследования были проведены лишь в районе устья р. Жупановой (южная часть Кроноцкого залива) в 1995-1996 гг.

Во время исследований не проводились инструментальные измерения топографических профилей, отсутствовала географическая (GPS) привязка шурфов. Тем не менее, разрезы, заложенные в торфяниках, сохранили достаточно полную летопись древних цунами (Пинегина и др., 2000; Pinegina et al„ 2003).

Основная часть шурфов располагалась на низкой морской террасе высотой около 5 м и на расстоянии до 500-700 м от современного уреза воды. Средний период повторяемости цунами с высотами >3-5м составляет в Кроноцком заливе около 105 лет (по данным за последние -2000 лет). За период исторических наблюдений здесь произошло пять событий — в 1737, предположительно в 1841(7), феврале 19231, 1952 и 1960 гг. (Заякин, Лучинина, 1987).

0 AD 250AD 600AD 1500 AD 1841 1907

I............. - — А I ._____

Рис. 4.3. Повторяемость цунами (черные столбцы) в Кроноцком заливе. События распределены условно (равномерно)в промежутках между вулканическими пеплами (серые линии).

_0_1000 АР_1737 ¿000 АР

4.2.4 Отложения палеоцунами на побережье Авачинского залива

Работы по изучению отложений цунами в Авачинском заливе проводились на протяжении полевых сезонов 2001-2002, 2004-2005 и 2008 гг. Районы исследований включили бухты Асача, Мутная, Жировая, Большой Вилюй, Безымянная и Халактырский пляж. Условная географическая граница между Авачинским заливом и южной Камчаткой проводится обычно по мысу Поворотный. При анализе данных по Авачинскому заливу, было решено включить дополнительно данные по отложениям цунами в бухтах Асача и Мутная, находящихся в 10-20 км к югу от мыса Поворотный. Длина береговой линии Авачинского залива (включая бухты Асача и Мутная) составляет около 150 км, длина побережья охваченного исследованиями - порядка 50 км. В ходе

1 В 1923 г. на Камчатке произошло два сильных цунамигенных землетрясения - 3 февраля в Кроноцком заливе, \1w-8 5: 13 апреля - на севере Камчатского залива, Мш-7 4-8 2 (Гусев, 2004).

обработки полученных материалов были использованы данные по 11 топографическим профилям и 92 шурфам.

На сводном рис. 4.4 показаны зоны воздействия отдельных цунами на побережье Авачинского залива и к югу - до бухт Мутная и Асача. Доисторическое землетрясение, произошедшее вскоре после 600 г.н.э. и сопровождавшееся косейсмическими деформациями на побережье, по-видимому, имело единый протяженный очаг (уходящий на юг Камчатки) с магнш^^^М~9 ^по аналогии с землетрясениями 1737 и 1952 гг.).

ЗЯЯНЭЯК» I 250 АЭ 600 АО 1907

1737 1952 .154; ,

Рис. 4.4. Реконструкция зон воздействия отдельных цунами на побережье Авачинского залива. События цунами (черные и зеленые столбцы) распределены условно равномерно в промежутках между вулканическими пеплами (серые линии). Зеленые столбцы - события цунами, сопровождаемые косейсмическими опусканиями побережья. Светло-серые полосы соответствуют погрешности в определениях возрастов вулканических пеплов. Очаг исторического цунами 1952 г. показан овалом. Зоны с розовой заливкой соответствуют районам детальных исследований (с севера на юг): Халактырский пляж, бухты Вилюй-Безымянная, бухта Жировая, бухты Асача-Мутная

1000AD 1400AD 2000AD

годы нашей эры

Средняя повторяемость всех выявленных цунами в Авачинском заливе цунами составляет 103 года. Некоторые из этих цунами, вероятно, могли быть трансокеаническими, подобно Чилийскому цунами 1960 г. Средняя повторяемость сильных (с заплесками выше 5 м на открытом побережье и выше 2 м в бухтах) цунами составляет 140-150 лет и примерно 130 лет в бухтах Асача и Мутная. Средняя повторяемость цунами, сходных по проявлениям с историческим событием 1841 г., составляет около 300 лет. По ретроспективной оценке Mti979 для удаленного источника (Abe, 1979) по волне на Гаваях, магнитуда этого землетрясения была около 8.0-8.3. Магнитуда же землетрясения оцененная в данной работе (Mti999 для близкого источника (Abe, 1999)) находилась в интервале 7.5-8.0. Средняя повторяемость землетрясений с М~9, сопровождавшихся косейсмическими деформациями (подобных землетрясениям 1737 и 1952 гг.), составляет около 470 лет. Для более точной оценки повторяемости подобных событий требуется более длительный ряд наблюдений.

4.2.5 Отложения палеоцунами на побережье южной Камчатки и северных

Курильских островах

Исследования на юге Камчатки и на северных Курилах проводились на протяжении полевых сезонов 1999-2002 и 2005-2007 гг. Протяженность береговой линии, в пределах которой расположены районы исследований, превышает 300 км, протяженность обследованного побережья составляет около 120 км. В работе использованы данные по 23 измеренным топографическим профилям и 132 шурфам. Основная проблема в обобщении полученных для района данных состоит в отсутствии единых маркирующих горизонтов пеплов: часть пеплов от вулканов, расположенных на юге Камчатки, имела оси пеплопадов, направленные на юг, а часть - на север. Тем не менее, некоторые маркирующие горизонты пеплов в разных районах оказались близки по возрасту, что все же дало возможность скоррелировать отложения цунами (с меньшей надежностью, чем для северных районов восточной Камчатки) и проанализировать все данные вместе.

На сводном рис. 4.5 показаны зоны воздействия отдельных цунами на побережье южной Камчатки и северных Курил для последних —2500 лет (для Бухт Асача и Мутная — для последних -1400 лет). Доисторическое землетрясение, произошедшее вскоре после 600 г.н.э. и сопровождавшееся косейсмическими деформациями на побережье, по-видимому, имело единый протяженный очаг (от юга Камчатки до Авачинского залива) с магнитудой порядка 9 (по аналогии с землетрясениями 1737 и 1952 гг.).

Рис. 4.5. Реконструкция зон воздействия отдельных цунами на побережье южной Камчатки и северных Курил. События цунами (черные и зеленые столбцы) распределены условно равномерно в промежутках между вулканическими пеплами (серые линии). Тонкие черные столбцы показывают события цунами, идентифицированные лишь в одной-двух бухтах. Зеленые столбцы - отложения цунами от землетрясений сопровождавшихся косейсмическими опусканиями побережий. Серые линии - вулканические пеплы. Сплошные серые линии показаны для районов, где определенный вулканический пепел присутствует в разрезах, пунктирные серые линии - для районов, где пеплы отсутствуют. Зоны с розовой заливкой соответствуют районам детальных исследований (с севера на юг): бухты Мутная-Асача, бухты Ходутка-Кузачин, бухта Вестник, Бухты Утюжная-Ушатная-Три Сестры, о-ва Парамушир и Шумшу. АЭ - года нашей эры (н.э.), ВС - года до нашей эры (до н.э.).

Средняя повторяемость всех цунами на юге Камчатки и на северных Курилах для последних -2500 лет составляет 73-80 лет. Средняя повторяемость землетрясений, сопровождавшихся косейсмическими деформациями побережий, составляет около 470 лет (так же, как и для Авачинского залива). Временные промежутки между отдельными событиями варьируют от ~215 до 1100 лет.

Обращает на себя внимание большая (по сравнению с северными районами) интенсивность цунами, происходящих на юге Камчатки и на Северных Курилах. Величина горизонтальных заплесков составляет здесь от многих сотен метров до нескольких километров. Реконструированные вертикальные заплески многих цунами превышали 12-15 м. Этот факт свидетельствует о том, что строение цунамигенерирующих зон Камчатской зоны субдукции неоднородно: южный сегмент Камчатской зоны субдукции способен генерировать цунами большей интенсивности, чем северный сегмент. Это может быть связано как с разной шириной очаговых зон (и соответственно, с разной длиной волн цунами), так и с существованием на юге Камчатки зоны с большими (разовыми) смещениями в очагах (high slip regions), (Maclnnes et al., 2010).

4.3 Определение магнитуд цунамигенных землетрясений по имеющимся палеосейсмологическим данным Определяя величину Mt (Mti999), необходимо иметь данные по высоте заплесков на берегу, ближайшем к источнику. При этом используется соотношение Абе (Abe, 1999): (1) Mt = 2log Нт + 6.6

где Hm - значение местной средней максимальной высоты волн в метрах. Анализ исторического каталога цунами на Дальнем Востоке России (Заякин, Лучинина, 1987) убедительно показывает, что подавляющее число сильных и катастрофических цунами в регионе связано с сильными местными землетрясениями, т.е. землетрясениями, приуроченными к Курило-Камчатской сейсмофокальной зоне. Следовательно, решая задачу о цунамигенерирующих зонах, можно заранее предполагать что: 1) очаг землетрясения расположен в пределах какого-либо сегмента сейсмофокальной зоны, 2) механизм землетрясения субдукционный. Главная задача сводится, таким образом, к определению собственно положения очага. Эту задачу можно решить, определив участок побережья с наибольшей интенсивностью цунами. При таком подходе цунами от удаленных очагов в принципе могут внести небольшой процент ошибок, но за неимением лучшего приходится использовать описанный подход.

Рассмотрим возможность оценок магнитуд землетрясений по отложениям цунами на примере сильнейших Камчатских событий 1952 и 1737 гг. Данные о высотах заплесков этих цунами вдоль побережья южной Камчатки и Курильских островов приведены в таблице 4.1 (Кравчуновская и др., 2009).

Восстановленные высоты цунами 1952 и 1737 гг., а также сравнительный анализ гранулометрического состава их отложений, позволили сделать вывод,

что очаги землетрясений 17 октября 1737 и 4(5) ноября 1952 годов были примерно сопоставимы по размеру и совпадали пространственно.

По формуле (1), землетрясение 1952 г. имело магнитуду Mt=8.7, землетрясение 1737 г. - Mt=8.8. По имеющимся сейсмологическим данным, магнитуда землетрясения 1952 г. оценивается разными авторами в пределах Mw=8.8-9.2 (Гусев, 2004; Johnson, Satake, 1999; Maclnnes et al., 2010), а очаговая область протягивается от северной части о. Онекотан до п-ва Шипунский. Землетрясение 17.10.1737 г. по ретроспективной оценке сейсмологов имело магнитуду М=8.3±0.7 (Чебров, Раевская, 2011). Таким образом, оценки магнитуд по высоте цунами довольно хорошо сопоставимы с оценками по сейсмическим и макросейсмическим данным.

Таблица 4.1. Восстановленные по отложениям средние максимальные высоты заплеска цунами 1737 и 1952 гг., м.

Район

бухта Утесная, Парамушир г. Северо-Курильск, Парамушир бухта Солнечная, Шумшу бухта Три Сестры, Камчатка бухта Ушатная, Камчатка бухта Утюжная, Камчатка бухта Вестник, Камчатка бухта Ходутка, Камчатка бухта Асача, Камчатка бухта Мутная, Камчатка бухта Жировая, Камчатка Халактырский пляж, Камчатка

1952 г.

12-14 10 18 17

>17-21 16-17 6-11 >6-7 7-10 5-6 7-9

1737 г.

9 17

10 15 >17 >17-21 17-20 13

>6-7 10-12 5-6 7

Обращает на себя внимание, что наибольшие высоты заплесков в 1737 г. наблюдались на участке побережья от бухты Три Сестры до бухты Ходутка, а в 1952 гг. - от бухты Три Сестры до бухты Вестник. Это подтверждает предположение о том, что напротив этих участков побережья может находиться область больших амплитуд подвижек (Maclnnes et al., 2010).

Еще один подход при оценке магнитуд цунамигенных землетрясений -использование только лишь протяженности очаговой зоны землетрясения, которая, как уже указывалась выше, примерно соответствует длине ближайшего к очагу побережья, испытавшего наиболее сильное воздействие цунами. Существует около 30 эмпирических корреляционных зависимостей для оценок магнитуд по длине очагов (полученных преимущественно для коровых разломов). В палеосейсмологии чаще всего используются зависимости Вэлса-Копперсмита (Wells, Coppersmith, 1994). Оценки магнитуды двумя способами (Mt, Mw), в случае полноты геологических данных о протяженности охваченного цунами побережья (примерно соответствующей длине очага), неплохо согласуются друг с другом и не показывают систематических различий.

В работе в таблицах приведены рассчитанные магнитуды М, и Mw для Камчатского побережья Берингова моря, Камчатского и Авачинского заливов. Для юга Камчатки магнитуды не рассчитывались вследствие возможной неточности в корреляции отложений и протяженности очаговых зон. На рис. 4.6

представлены рассчитанные магнитуды М, и средняя повторяемость землетрясений. Из полученных данных следует важный вывод о том, что предельные магнитуды цунамигенных землетрясений увеличиваются в направлении с севера на юг, в сторону выделяемой рядом исследователей области больших подвижек (high slip region) (Burgmann et al., 2005; Macclnnes et al., 2010).

восточного побережья Камчатки, восстановленные по данным палеоцунами. Черные точки -оцененные по палеоцунами магнитуды Mt: зеленые точки — средняя повторяемость цунамигенных землетрясений (лет) за последние ~2000 лет.

Детальное рассмотрение возможных причин выявленного распределения М, вдоль Камчатской зоны субдукции, выходит за рамки работы. Можно полагать, что обнаруженные различия связаны с вариациями ее параметров вдоль побережья. Одной из таких причин может быть предполагаемое Бургманом с соавторами (Burgmann et al., 2005) увеличение сцепления (coupling) между Тихоокеанской и Охотской (Евразийской) плитами вдоль зоны субдукции в южном направлении. Выполненная ими интерпретация данных спутниковых геодезических измерений (GPS) предполагает, что к югу от п-ова Шипунский находится зона с наибольшим сцеплением плит, поэтому эпизодически в этом районе происходят крупноамплитудные подвижки, сопровождающиеся землетрясениями с М~9. К северу от полуострова (севернее примерно 53° с.ш.) сцепление между плитами ослаблено (uncoupled subduction thrust), часть движения реализуется асейсмически, больших напряжений не накапливается и в Камчатском и Кроноцком заливах магнитуды сильнейших землетрясений не превышают 8.5 (М< 8.5). Авторы (Burgmann et al., 2005) считают, что есть отчетливая корреляция между заблокированными в настоящее время сегментами зоны субдукции, положением очагов сильнейших исторических землетрясений и положением отрицательных гравитационных

аномалий и рельефом дна. В работе (Macclnnes et al., 2010) предположение о наличии зоны больших подвижек напротив южной Камчатки основано на результатах моделирования амплитуд подвижек в мультисегментном очаге землетрясения 1952 г. с использованием данных о распределении высот отложений этого цунами вдоль побережья. Данные по интенсивности проявлений палеоцунами на побережье южной Камчатки подтверждают предположение Macclnnes et al., 2010.

Бургман (Burgmann et al., 2005) связывает вариации в степени сцепления плит с наличием или отсутствием зон зацепления (asperities). Причину ослабления в северном направлении степени сцепления плит можно видеть также в миграции северного (начиная примерно с широты п-ва Шипунский) края погруженной части Тихоокеанской плиты и глубоководного желоба в сторону океана - процессе, продемонстрированном физическим и численным моделированием (Schellart et al., 2007; Stegman et al., 2006). Проявлением и подтверждением процесса отступания плиты может быть смещение земной коры восточной части Центральной Камчатки в сторону океана, предположение о котором было высказано В.А. Ермаковым (Ермаков и др., 1974), и продемонстрировано А.И. Кожуриным (Кожурин и др., 2008; Кожурин и др., 2010) при интерпретации активной разломной тектоники Центральной Камчатки. Можно предположить, что уменьшение периода повторяемости цунамигенных землетрясений с севера на юг связано либо с вариациями в сцеплении плит, либо с увеличением скорости поддвига, либо с двумя этими факторами одновременно.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ ПО ПАЛЕОЦУНАМИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЦУНАМИОПАСНОСТИ ПОБЕРЕЖИЙ

Очевидно, что оценка вероятности возникновения цунами в той или иной части побережья и его возможная интенсивность должны базироваться, во-первых, на получении как можно более длительных временных рядов наблюдений и данных по уже произошедшим цунами и, во-вторых, на использовании соответствующего аппарата визуализации, обработки и интерпретации этих рядов. Первая задача, как представляется, может быть решена включением в ряды данных об исторических цунами, также данных о палеоцунами и их параметрах, вторая - применением современных, основанных на ГИС-приложениях, способов их обработки. Однако, имеющиеся данные по палеоцунами на Дальнем Востоке, остаются практически не использованными, так как не разработаны принципы их анализа, визуализации и интеграции в существующие БД (Gusiakov et al., 2013) по историческим цунами.

Самая важная и трудоемкая часть работы при создании базы данных по палеоцунами - формализация фактических данных, создание атрибутивной таблицы и структуры БД. После рассмотрения целого ряда вариантов была создана атрибутивная таблица, которая учитывает и формализует все необходимые параметры по палеоцунами. Помимо высот шурфов над уровнем моря, в таблице указывается и наивысшая точка рельефа, отделяющая шурфы от уреза воды, т.к. это влияет на точность оценки минимального заплеска цунами.

В том случае, если побережье воздымается, или быстро выдвигается в сторону моря, для каждого из временных промежутков между вулканическими пеплами, также добавляется по три столбца, в которых указываются расстояния от уреза, высота шурфа и высота наивысшей точки рельефа между древней береговой линией и палеоповерхностью. Предложенная структура БД по палеоцунами позволяет анализировать и использовать палеосейсмологические данные, даже не имея никаких дополнительных сведений о параметрах очагов, батиметрии и т.д., при этом делать оценку цунамиопасности для отдельных участков побережья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главная задача, на решение которой было направлено выполненное исследование - реконструкция параметров палеоцунами вдоль восточного побережья Камчатки и северных Курильских островов для определения положения, повторяемости и магнитуд цунамигенных землетрясений происходивших здесь в позднем голоцене (в последние ~2000 лет).

В ходе проведенного исследования:

1) вдоль участка побережья общей протяженностью более 1000 км были выявлены и описаны геолого-геоморфологические эффекты цунами на побережье, проведено детальное картирование отложений цунами и косейсмических деформаций, сопровождающих сильнейшие землетрясения;

2) создана методика восстановления пространственного положения древних береговых линий с использованием методов тефрохронологии и тефро стратиграфии;

3) создана методика определения направлений и скоростей вертикальных движений для побережий, находящихся в различных геодинамических обстановках (субдукция, коллизия, задуговой бассейн) с использованием методов тефрохронологии и тефростратиграфии;

4) сделана оценка повторяемости и магнитуд (М,, Мш) древних землетрясений на основе реконструированных высот заплесков палеоцунами и протяженности охваченных ими побережий;

5) разработана структура базы данных по палеоцунами, позволяющая проводить хранение, анализ, визуализацию и интеграцию данных в существующие базы данных по историческим цунами с целью их использования при оценке цунамиопасности побережий.

К основным выводам, полученным в ходе исследования, можно отнести следующие:

1) сильные цунамигенные землетрясения могут генерироваться не только вдоль зоны субдукции, но и в Беринговом море, являющемся задуговым бассейном, и в зоне коллизионного взаимодействия Алеутской дуги с Камчаткой (в Камчатском проливе);

2) наиболее сильные землетрясения вдоль Камчатской зоны субдукции сопровождаются крупноамплитудными косейсмическими деформациями на побережьях. В ходе проведенных исследований выявлены следы как минимум пяти таких событий, их период повторяемости находится в интервале 215-1100

лет;

3) параметры цунами вдоль исследованного участка побережья не одинаковы. Основная особенность проявлений цунами в Беринговом море - относительно короткие горизонтальные заплески на суше (первые сотни метров) и высоты в пределах 10 м. Для южной Камчатки и Северных Курил характерна большая интенсивность цунами по сравнению с Кроноцким и Камчатским заливами. Величина горизонтальных заплесков цунами достигает здесь нескольких километров, а вертикальные заплески наиболее сильных событий превышают 15 м. Этот факт свидетельствует о том, что строение цунамигенерирующих зон Камчатской зоны субдукции неоднородно;

4) частота и предельные (за 2000 лет) магнитуды цунамигенных землетрясений увеличиваются вдоль Камчатской зоны субдукции с севера на юг, что может быть связано либо с вариациями в сцеплении плит, либо с увеличением скорости поддвига, либо с двумя этими факторами одновременно;

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ ЖУРНАЛАХ

1. Пинегина Т.К.. Мелекесиев И.В., Брайцева O.A., Сторчеус A.B. Следы доисторических цунами на Восточном побережье Камчатки // Природа. 1997. № 4. С. 102-107.

2. Пинегина. Т.К.. Базанова Л.И., Мелекесцев И.В., Брайцева O.A., Сторчеус A.B., Гусяков В.К. Доисторические цунами на побережье Кроноцкого залива- Камчатка, Россия // Вулканология и сейсмология. 2000. № 2. С. 66-74.

3. Пинегина Т.К. Возраст голоценовых сейсмообвалов в долине р. Быстрой-Эссовской (Восточная Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 2001. № 4. С. 39-45.

4. Мелекесцев И.В., Брайцева O.A., Пономарева В.В., БазановаЛ.И., Пинегина Т.К.. Дирксен О.В. 0-650 гг.- этап сильнейшего природного катастрофизма нашей эры на Камчатке // Вулканология и сейсмология. 2003. № 6. С. 3-24.

5. Гусяков В.К., Пинегина Т.К.. Салтыков В.А. Экспедиция по исследованию последствий цунами 26 декабря 2004 г. в Северной части Суматры и на близлежащих островах // Вестник КРАУНЦ, серия «Науки о земле». 2005. № 5. С. 17-23.

6. Гусяков В.К., Пинегина Т.К.. Салтыков В.А. Экспедиция ЮНЕСКО по следам Индонезийской катастрофы 2004 года (к годовщине катастрофического землетрясения у берегов Суматры) // Природа. 2006. № 1. С. 34-40.

7. Пинегина Т.К.. Константинова Т.Г. Макросейсмическое обследование последствий Олюторского землетрясения 21 апреля 2006 года // Вестник КРАУНЦ, Серия Науки о Земле. 2006. № 1. С. 169-173.

8. Пинегина Т.К.. Константинова Т.Г. Землетрясение в Корякин. Природа. 2006. № 9. С. 57-61.

9. Левин Б.В., Кайстренко В.М., Рыбин A.B., Носов М.А., Пинегина Т.К.. Разжигаева Н.Г., Сасорова Е.В., ГанзейКС., Ивельская Т.Н., Кравчуновская Е.А., Колесов C.B. и др. Проявления цунами 15.11.2006 г. на Центральных Курильских островах и результаты моделирования высот заплесков // ДАН. 2008. Т. 419. № 1. С. 118-122.

10. Левин Б.В., ФицхьюБ., БурджуаД., Рыбин A.B., Пинегина Т.К.. Кайстренко В.М., Сасорова Е.В., Разжигаева Н.Г., Белоусов А.Б., Копанина A.B., Борисов С.А., Носов и др. Комплексная экспедиция на Средние Курильские острова в 2007 г. (II этап) // Вестник ДВО РАН. 2008. № 3. С. 111-123.

11. Пинегина Т.К.. Делемень И.Ф., Дрознин В.А., Калачева Е.Г. и др. Камчатская Долина Гейзеров после катастрофы 3 Июня 2007 г. // Вестник ДВО РАН. 2008. № 1. С.

33-45.

12. Кожурин А.И., Пономарева В.В., Пинегина Т.К. Активная разломная тектоника юга Центральной Камчатки // Вестник КРАУНЦ, Серия Науки о Земле. 2008. № 2. С. 10-27.

13. Пинегина Т.К.. Кравчуновская Е.А., Ландер А.В., Кожурин А.И., Буржуа Дж„ Мартин Е.М. Голоценовые вертикальные движения побережья полуострова Камчатский (Камчатка) по данным изучения морских террас // Вестник КРАУНЦ, Серия Науки о Земле. 2010. № 1. С.231-247.

14. Пинегина Т. К. Кожурин А. И. Новые данные о сейсморазрыве Олюторского землетрясения (Mw 7.6, 21 апреля 2006, Корякия, Россия) // Вестник КРАУНЦ, Серия Науки о Земле. 2010. № 2. С. 231-241.

15. Пинегина Т.К. Землетрясение и цунами в Японии // Природа. 2011. № 5. С 43-48.

16. Пинегина Т.К.. Кожурин А.И., Пономарева В.В. Оценка сейсмической и цунамиопасности для поселка Усть-Камчатск (Камчатка) по данным палеосейсмологических исследований // Вестник КРАУНЦ, Серия Науки о Земле. 2012. № 1.С. 138-159.

17. Пинегина Т.К.. Кожурин А.К, Пономарева В.В. Эндогенные геологические процессы и история развития устьевой области р. Камчатки в голоцене // Исследования водных биологических ресурсов Камчатки и северо-западной части Тихого океана. 2013. Вып. 31. С. 27-44.

18. Пинегина Т.К.. Кожурин А.И., Пономарева В.В. Активная тектоника и геоморфология побережья Камчатского Залива (Камчатка) // Тихоокеанская геология. 2014. Т. 33, № 1.С. 75-88.

19. Кожурин А.И., Пинегина Т.К.. Пономарева В.В., Зеленин Е.А., Михайпюкова П.Г. Скорость коллизионных деформаций юго-восточной части полуострова Камчатский (Камчатка) // Геотектоника. 2014. № 2. С. 1-19.

20. Pineeina Т.К.. Bourgeois J. Historical and paleo-tsunami deposits on Kamchatka, Russia: long-term chronologies and long-distance correlations. Natural Hazards and Earth System Sciences. 2001. V. 1. N 4. P. 177-185.

21. Pineeina Т.. Bourgeois J., Bazanova L., Melekestsev /., Braitseva O. A. Millennial -scale record of Holocene tsunamis on the Kronotskiy Bay coast, Kamchatka, Russia // Quaternary Research. 2003. V. 59. P. 36-47.

22. Pedoja K„ Bourgeois J., Pineeina Т.. Higman B. Does Kamchatka belong to North America? An extruding Okhotsk block suggested by coastal neotectonics of the Ozernoi Peninsula, Kamchatka, Russia// Geology. 2006. V. 34. N. 5. P. 353-356.

23. Bourgeois J.. Pineeina Т.. Ponomareva V., ZaretskaiaN. Holocene tsunamis in the southwestern Bering Sea, Russian Far East, and their tectonic implications // GSA Bulletin. 2006. V.l 18. N. P. 449-463.

24. Martin M.E., Weiss R„ Bourgeois J., Pineeina Т.К.. Houston H„ Titov V.V. Combining constraints from tsunami modeling and sedimentology to untangle the 1969 Ozernoi and 1971 Kamchatskii tsunamis // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. L01610.

25. Maclnnes В., Bourgeois J., Pineeina Т.К.. Kravchunovskaya E.A. Before and after: geomorphic change from the 15 November 2006 Kuril Island tsunami // Geology. 2009. V. 37. N. 11. P. 995-998.

26. Maclnnes В., Pineeina Т.К.. Bourgeois J., Razhigaeva N.G., Kaistrenko V.M., Kravchunovskaya E.A. Field survey and geological effects of the 15 November 2006 Kuril tsunami in the middle Kuril Islands // Pure appl. geophys. 2009. V. 166. P. 9-36.

27. Maclnnes B.T., Weiss A, BourgeoisJ., Pineeina Т.К. Slip distribution of the 1952

Kamchatka Great Earthquake based on near-field tsunami deposits and historical records // Bulletin of the Seismological Society of America. 2010. N100. P. 1695-1709.

28. Pine {ring Т.К., Bourgeois J., Kravchunovskaya E.A., Lander A.V., Arcos M.E.M., Pedoja K., Maclnnes B.T. A nexus of plate interaction: Segmented vertical movement of Kamchatsky Peninsula (Kamchatka) based on Holocene aggradational marine terraces // GSA Bulletin. 2013. V. 125. N. 9/10. P. 1554-1568.

29. Pedoja K„ Authemayou C., Pineeina Т.. Bourgeois J., Nexer M., Delcaillau В., Regard V. Arc-continent collision" of the Aleutian-Komandorsky arc into Kamchatka: insight into Quaternary tectonic segmentation through Pleistocene marine terraces and morphometric analysis of fluvial drainage // Tectonics. 2013. V. 32. P. 827-842.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ В СБОРНИКАХ И КНИГАХ

Заякин Ю.А., Пинегина Т.К. Цунами на Камчатке 5 декабря 1997 г.// Сб. ст. Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 года: предвестники, особенности, последствия. Петропавловск-Камчатский, 1998. С. 257-265.

Пинегина Т.К. Цунами на Тихоокеанском побережье Камчатки за последние 7000 лет: диагностика, датировка, частота. // Сб. ст. Геодинамика и Вулканизм Курило-Камчатской островодужной системы, Петропавловск-Камчатский, 2001. С. 330-341.

Пинегина Т.К.. Буржуа Д., Базанова Л.И., Брайцева О.А., Егоров Ю.О. Отложения цунами и анализ цунамиопасности на Халактырском пляже в районе Петропавловска-Камчатского // Сб. ст. Локальные цунами: предупреждение и уменьшение риска. Москва, Янус-К, 2002. С. 142-151.

Пинегина Т.К. Сейсмические деформации в эпицентральной зоне Олюторского землетрясения // Олюторское землетрясение (20 (21) апреля 2006 г., Корякское нагорье). Первые результаты исследований / Сб. ст., отв. ред. В.Н. Чебров. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН, 2007. С. 126-169.

Пинегина Т.К.. Буржуа Д., Разжигаева Н.Г., Левин Б.В., Кайстренко В.М.., Кравчуноеская Е.А., Макиннесс Б. Цунами 15 ноября 2006 г. на центральных Курильских островах и повторяемость подобных событий в прошлом (по палеосейсмологическим данным) // Труды региональной научно-технической конференции «Геофизический мониторинг и проблемы сейсмической безопасности Дальнего Востока России» в 2 томах. Отв. ред. В.Н. Чебров, В. А. Салтыков. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН, 2008. С. 200-204.

Кравчуноеская Е.А., Пинегина Т.К.. Ншиимура Ю„ ТаниокаЮ, Накамура Ю„ ХиракаваК. Сравнительная характеристика параметров цунами 1737 и 1952 гг. на Камчатке и Курильских островах по палеосейсмологическим данным // Сб. мат. III Сахалинской молодежной научной школы "Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз". ИМГиГ ДВО РАН, Южно- Сахалинск, 2009. С. 15-20.

Пинегина Т.К. Геологические следы цунами: идентификация и интерпретация // Сб. Мат. V Сахалинской молодежной научной школы "Природные катастрофы: Изучение, мониторинг, прогноз", Южно-Сахалинск, 2011. С. 43-52.

Пинегина Т.К. Цунамигенные землетрясения на западном обрамлении Командорской котловины Берингова моря (по данным палеоцунами) И Материалы Четвертой научно-технической конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России». Петропавловск-Камчатский, КФ ГС РАН. 2013. С. 1-6.

Пинегина Т.К.. Разжигаева Н.Г. Исследования палеоцунами на дальневосточном побережье России // Мировой океан. Том I. Геология и тектоника океана. Катастрофические явления в океане. М.: Научный мир, 2013. С. 488-498.

Подписано в печать:

18.02.2014

Заказ № 9338 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Пинегина, Татьяна Константиновна, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН

ПИНЕГИНА Татьяна Константиновна

25.00.2S — Океанология

Диссертация

на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Петропавловск-Камчатский 2014

052014^0803

на правах рукописи

л/

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр. 5

Глава 1

Глава 2

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЦУНАМИ НА ПОБЕРЕЖЬЕ: ГЕОЛОГО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

1.1. Накат цунами на берег

1.2. Методика сбора информации о параметрах цунами и их последствиях

1.3. Эрозионный и аккумулятивный эффекты цунами

1.3.1. Эрозия побережий с валунно-глыбовыми пляжами, примыкающими к склонам коренного берега

1.3.2. Эрозионные эффекты цунами на побережьях с аккумулятивными террасами

1.3.3. Аккумулятивный эффект цунами

1.4. Характеристика отложений цунами и их отличие от других генетических типов отложений

1.4.1. Отличие отложений цунами от штормовых отложений

1.4.2. Отличие отложений цунами от эоловых отложений

1.4.3. Отличие отложений цунами от флювиальных отложений

1.5. Различие двух близких по времени событий или нескольких волн цунами

Выводы

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАЛЕОЦУНАМИ

2.1. Общие принципы и подходы при поиске и идентификации отложений палеоцунами

2.3. Методика определения направлений и скоростей вертикальных движений побережий и реконструкций высот заплесков палеоцунами (на примере полуострова

15 17

28 30

32 35

43 45

47 47

Камчатский

Глава 3

Глава 4

2.4. Геоморфологические следы эрозионного воздействия палеоцунами

Выводы

КОСЕЙСМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ ПОБЕРЕЖИЙ

3.1. Общая модель косейсмических деформаций побережий

3.2. Исторические примеры косейсмических деформаций на побережьях

3.3.1. Выраженность косейсмических деформаций в рельефе

3.3.2. Выраженность косейсмических деформаций в геологическом строении побережий

3.3.3. Методы и подходы при поиске местоположения погребенных уступов размыва

87 91 93

100

106 106 108

114

3.3.4. Датирование косейсмических деформаций 118

3.3.5. Определение амплитуды остаточного косейсмического опускания Выводы

РЕКОНСТРУКЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ВДОЛЬ ВОСТОЧНОЙ КАМЧАТКИ И СЕВЕРНЫХ КУРИЛ ПО ОТЛОЖЕНИЯМ ПАЛЕОЦУНАМИ

4.1. Общие принципы реконструкции параметров палеоцунами и очаговых зон цунамигенных землетрясений

4.2. Отложения палеоцунами вдоль восточной Камчатки и северных Курильских островов

4.2.1. Беринговоморское побережье Камчатки и о. Карагинский

4.2.2. Отложения палеоцунами на побережье Камчатского залива

4.2.3. Отложения палеоцунами на побережье Кроноцкого залива

4.2.4. Отложения палеоцунами на побережье

125 128

130

134

146

Авачинского залива 158 4.2.5. Отложения палеоцунами на побережье

южной Камчатки и северных Курильских

островов 169

4.3. Определение магнитуд цунамигенных землетрясений по имеющимся палеосейсмологическим данным 183

Выводы 197

Глава 5. РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ ПО ПАЛЕОЦУНАМИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЦУНАМИОПАСНОСТИ

ПОБЕРЕЖИЙ 200

5.1 Географическая и фактическая основы для БД по палеоцунами в ГИС 202

5.2. Принципы анализа данных с использованием БД по палеоцунами 207

Выводы 214

Заключение 215

Список литературы

217

ВВЕДЕНИЕ

Дальневосточное побережье России периодически подвергается воздействию волн цунами, возникающих в результате землетрясений под дном акваторий Тихого океана, Охотского, Японского и Берингова морей. Наиболее опасные для Дальнего Востока России цунамигенерирующие землетрясения приурочены к Курило-Камчатской зоне субдукции протянувшейся вдоль северо-западной окраины Тихого океана. Камчатка и Курильские острова являются одними из наиболее сейсмически активных регионов планеты, и крупные исторические землетрясения в этой зоне генерировали цунами. Так, самое разрушительное цунами на Дальневосточном побережье случилось ночью 5 ноября 1952 г., его эпицентр располагался в океане примерно в 200 км к юго-востоку от Петропавловска-Камчатского (52.75° с.ш., 159.50° в.д.), а длина очага составила около 500-600 км. Цунами обрушилось на участок дальневосточного побережья протяженностью более 700 км - от Кроноцкого полуострова на Камчатке до Северных Курильских островов, а также принесло значительный ущерб на Гавайских островах. Волны высотой более 10 м (до 18 м) уничтожили г. Северо-Курильск и пос. Океанский на о-ве Парамушир, а также несколько поселков на Камчатке.

Несмотря на то что, на Земле цунами происходят ежегодно, сильные и катастрофические цунами — явление достаточно редкое, и для большинства побережий каталог этих событий короток. Использование только известных исторических данных недостаточно для получения качественных и количественных оценок цунамиопасности. Однако, все сильные цунами

оставляют следы на побережьях, изучение которых позволяет получить обширный материал о проявлениях цунами в прошлом.

Изучение цунами находится на стыке многих наук. Так, одни исследования посвящены физико-математическому моделированию процессов генерации и распространения волн к побережью, в других делают основной упор на моделирование заплеска на побережье. В этой области существует много нерешенных задач, связанных с особенностями деструкции и диссипации цунами в зависимости от морфологии береговой зоны и подводного склона, влиянием на скорость прохождения волн коэффициентов шероховатости подстилающей поверхности и ее смачиваемости, эффектами фильтрации воды в грунт. Еще одно направление исследований посвящено детальному изучению текстуры и гранулометрии отложений недавних цунами для восстановления таких параметров, как скорость потока, количество волн, разделения их на прямой и обратный потоки. Ряд исследователей занимается изучением микроорганизмов в отложениях цунами — для определения глубин, с которых отложения были перемещены.

Перечисленные исследования стоят за рамками данной работы. Основной упор в диссертации сделан на выявление и корреляцию отложений

цунами вдоль Беринговоморского и Тихоокеанского побережья Камчатки и северных Курильских островов, восстановление их высот и дальностей заплеска, оценки магнитуд и повторяемости цунамигенных землетрясений происходящих в разных геодинамических обстановках - вдоль Курило-Камчатской зоны субдукции, в районе коллизионного взаимодействия Алеутской дуги с Камчатским полуостровом, на западной окраине Берингова моря, являющегося задуговым бассейном. Полученные данные позволили сделать выводы о неоднородности цунамигенерирующего потенциала Камчатской зоны субдукции и районов примыкающих к ней с севера.

Актуальность работы

Цели и задачи работы

Цель работы — выявление палеоцунами и реконструкция их параметров вдоль восточного побережья Камчатки и северных Курильских островов, применение этих данных для определения положения очагов, повторяемости и магнитуд цунамигенных землетрясений, происходивших здесь в позднем голоцене (в последние -2000 лет).

Основные задачи исследования включали:

2) Создание методики восстановления пространственного положения

древних береговых линий с использованием методов тефрохронологии и тефростратиграфии.

3) Создание методики определения направлений и скоростей вертикальных движений для побережий, находящихся в различных геодинамических обстановках (субдукция, коллизия, задуговой бассейн) с использованием методов тефрохронологии и тефростратиграфии.

4) Оценку повторяемости и магнитуд (М15 М\У) древних землетрясений на основе реконструированных высот заплесков палеоцунами и протяженности охваченных ими побережий.

Фактический материал и методы исследований

В основу диссертации положены результаты полевых исследований на Камчатке (1995 - 2013 гг.), Курильских островах (1999, 2006-2008 гг.), в Индонезии (2004-2005 гг.), в США (1997, 2000 гг.). Работы проводились главным образом в рамках научных проектов РФФИ, N8? и ДВО РАН.

Научная новизна и личный вклад автора

1. Впервые предложены методики определения положений древних

береговых линий в пространстве и оценки направлений и скоростей тектонических движений на побережьях, основанные на детальном изучении почвенно-пирокластического чехла морских аккумулятивных террас и характере выклинивания залегающих в их основаниях вулканических пеплов определенного возраста.

3. Установлены косейсмические деформации на побережьях Камчатки и северных Курильских островов; описана методика идентификации следов косейсмических опусканий морских аккумулятивных террас, показано детальное строение погребенных уступов размыва -несогласий, фиксирующих косейсмические опускания, предложены методики для определения их возраста и амплитуд.

4. Вдоль побережья восточной Камчатки и северных Курильских островов выявлены и коррелированны следы палеоцунами за последние -2000 лет, восстановлены их параметры (высота и дальность заплеска), определены повторяемость и магнитуды М1 и цунамигенных палеоземлетрясений.

5. Выявлена неоднородность цунамигенерирующего потенциала землетрясений происходивших вдоль побережья Камчатки в последние —2000 лет.

Теоретическое и практическое значение работы

Проблема прогнозирования места, времени и параметров землетрясений и цунами, до сих пор не решена и вряд ли может быть решена в обозримом будущем. Поэтому большое значение приобретает оценка вероятности возникновения цунами в той или иной части побережья и его возможной интенсивности, распределение в пространстве и во времени цунамигенных землетрясений, оценка их магнитуд. Результаты исследований, представленные в диссертации, были использованы в отчете «Оценка цунамиопасности площадок пограничных государственных постов (ПГП) на территории Камчатской области» (2009), в информационном отчёте по хоздоговорной теме «Палеоцунами» (2000) для оценки цунамиопасности трассы газопровода в районе побережья Авачинского залива. Полученные автором данные использованы в отчетах по интеграционному проекту ДВО-СО РАН № 12-И-0-08-003 «Фундаментальные проблемы совершенствования оперативного прогноза цунами и создания карты цунамирайонирования Дальневосточного побережья РФ».

Защищаемые положения

размыва. Положению погребенного уступа соответствует перегиб в вершинной поверхности террасы, амплитуда косейсмического опускания приблизительно соответствует высоте гипсометрической ступени над погребенным уступом размыва.

4. Цунамигенерирующий потенциал Камчатской зоны субдукции неоднороден. Оцененные по параметрам палеоцунами магнитуды цунамигенных землетрясений за последние -2000 лет демонстрируют отчетливый тренд снижения их значений в северном направлении - от М1 -8-9 в сегменте напротив южной Камчатки и Авачинского залива до М1 -7.7-8.3 в сегменте напротив Камчатского залива. За северным окончанием зоны субдукции, на западной периферии Командорской котловины, землетрясения в тот же период времени имели магнитуды М! от 7.0 до 8.1.

Апробация работы

островных дуг (JKASP) в Петропавловске-Камчатском (2004, 2011), Анкоридже (2001), Саппоро (2007), ассамблеях EGU в Ницце (2002, 2003) и в Вене (2012), ассамблеях AGU в Сан-Франциско (1998, 1999, 2004-2005, 2012), международной конференции AvH в Перу (2007), на генеральной ассамблее IAVCEI в Индонезии (2000), международной конференции по цунами в Сендаи, Япония (2010).

Структура работы

Во Введении дана общая характеристика работы, обсуждаютс

Информация о работе

Пинегина, Татьяна Константиновна
доктора геолого-минералогических наук
Москва, 2014
ВАК 25.00.28

Диссертация

Пространственно-временное распределение очагов цунамигенных землетрясений тихоокеанского и беринговоморского побережий Камчатки по отложениям палеоцунами - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы