Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Пространственно-временные вариации сейсмичности и механизм очагов землетрясений Сирии

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временные вариации сейсмичности и механизм очагов землетрясений Сирии"

На правах рукописи

Омар Халед Махди

Пространственно-временные вариации сейсмичности и механизм очагов землетрясений Сирии

Специальность 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

6 ПАР Г073

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени Кандидата физико-математических наук

Москва - 2013 г.

005050304

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН)

Научный руководитель:

Рубен Эдуардович Татевосян - доктор физико-математических наук (ИФЗ РАН)

официальные оппоненты:

Сергей Львович Юнга - доктор физико-математических наук, профессор

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН), заведующий отделением "Прикладной геофизики".

Владимир Георгиевич Трифонов - доктор геолого-минералогических наук

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геологический институт РАН (ГИН РАН), главный научный сотрудник лаборатории "Неотектоники и современной геодинамики".

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук (ИТПЗ РАН).

Защита состоится _2 ?> ' _ 2013г. в \ ^_ часов на

заседании диссертационного совета Д 002.001.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН по адресу: 123995, ГПС-5, Москва Д-242, Б. Грузинская ул., д. 10, стр. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН

Автореферат разослан | ЯI 07 <2 ^ ^

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических

наук

О.В. Пилипенко

Введение

Актуальность исследований

Сирия является регионом с уникальным проявлением сейсмичности. По палеосейсмологическим и историческим данным территория Сирии характеризуется чрезвычайно высоким уровнем активности. Между тем в современную эпоху здесь не зарегистрировано ни одного сильного сейсмического события, происходят землетрясения только небольших магнитуд (М<5.5). Мировая сейсмологическая сеть удалена, и для исследования слабой сейсмичности особенно ценными становятся данные региональных сейсмологических наблюдений.

Диссертационная работа посвящена исследованию пространственно-временных вариаций сейсмичности и тектонического поля напряжений в Сирии по данным региональной сети наблюдений.

Цель исследований

Выявить особенности сейсмического режима, определить механизмы очагов и оценить поле тектонических напряжений с использованием данных региональной сети Сирии.

Основные задачи исследований

Выполнить обработку цифровых сейсмограмм, записанных на региональных станциях Сирии и подготовить входные данные для пакета вычислительных программ. Провести сравнительный анализ различных региональных скоростных моделей среды. Оценить устойчивость решений в зависимости от выбора скоростной модели. Составить каталог землетрясений по региональным данным.

Составить каталог механизмов очагов землетрясений Сирии по знакам первых вступлений волны Р. Оценить устойчивость решений в зависимости от метода определения механизма и от выбора скоростной модели среды.

Исследовать применимость современных методов анализа поля тектонических напряжений на различных масштабных уровнях (от локального до регионального) и в различных регионах. В качестве объекта исследования на локальном уровне выбрана очаговая зона Алтайского землетрясения 2003 г., на уровне крупного сейсмоактивного региона - территория Сирии.

Исходный материал

Материалом для исследования послужили записи землетрясений, полученные на региональной сейсмической сети Сирии. Сеть из 26 сейсмических цифровых станций была установлена в конце 2006 г. Хотя большинство станций расположены на западе, сеть в целом хорошо контролирует всю территорию Сирии.

Для решения методических вопросов использованы данные локальной сейсмометрической сети, развернутой ИФЗ РАН в районе очага Алтайского землетрясения 2003 г. в ходе полевых работ в 2004 и 2005 гг.

Для построения синтетических сейсмограмм методом Херрманна и инверсии волновых форм для определения механизма очага землетрясений использованы данные мировой сейсмологической сети (станции IRIS).

Научная новизна работе

Впервые для сейсмометрической сети Сирии показана устойчивость определений механизмов землетрясений по знакам первых вступлений по отношению к выбранной скоростной модели и методам расчета.

Впервые на примере Алтайского землетрясения 2003 г. метод катакластического анализа (МКА) применен для реконструкции тектонических напряжений в масштабе очаговой зоны сильного землетрясения по данным локальной сейсмической сети.

Впервые выполнены исследования параметров поля современных напряжений в Сирии с использованием методики реконструкции тектонических напряжений.

Получены представления о сейсмичности Сирии на недоступном ранее уровне детальности.

Практическая значимость

Полученная скоростная модель может быть предложена для внедрения в практику Сейсмологической службы Сирии.

Детальные сведения о пространственно-временных вариациях сейсмичности могут быть использованы для уточнения глобальных тектонических построений в Средиземноморской зоне, где территория Сирии занимает ключевое положение.

Результаты работы имеют важное методическое значение. Они позволяют оценить применимость современных методов анализа полей напряжений на территориях разных масштабов.

Новые данные о сейсмическом режиме и механизмах очагов землетрясений Сирии полезны для оценки сейсмической опасности страны.

Основные защищаемые положения

Сейсмичность Сирии не сводится только к наиболее активной зоне разломов Мертвого моря. По данным региональной сейсмометрической сети выделены и другие сейсмические зоны.

Положение эпицентра и кинематический тип движения в очаге землетрясений в Сирии определяются устойчиво. При этом вариации скоростной модели оказывают существенное влияние на оценку глубины гипоцентра и сказываются при определении механизмов очагов на ориентации нодальных плоскостей.

Современные методы анализа тектонических напряжений могут успешно применяться на различных масштабных уровнях, включая очаговые зоны отдельных сильных землетрясений, а также для небольших объемов данных.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Второй молодежной тектонофизической школе-семинаре (Современная тектонофизика. Методы и результаты) Москва 2011 г.; на Третьей тектонофизической конференции в ИФЗ РАН (Тектонофизика

и актуальные вопросы наук о земле) Москва 2012 г.; на Международной школе-конференции (2-ые Гординские чтения в ИФЗ РАН) Москва 2012 г.

Личный вклад автора

Диссертантом обработаны записи землетрясений на региональных станциях сейсмологической службы Сирии, составлен каталог, состоящий из 292 землетрясений за 2009 - 2011 гг. Определены механизмы землетрясений по региональным данным с использованием различных современных программ. Освоен и адаптирован метод МКА, осуществлен расчет параметров и построены карты современного поля напряжений в Сирии.

Публикация результатов

Результаты работы представлены в 6 научных публикациях. Из них 3 - в журналах, входящих в список ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы и приложения. Содержит 120 страниц, 39 рисунков, 10 таблиц и библиографию из 75 наименования.

Благодарности

Автор выражает благодарность своему первому научному руководителю, д.ф.-м.н. |С.С. Арефьеву и научному руководителю, д.ф.-м.н. Р.Э. Татевосяну за полезные советы и поддержку в проведенных исследованиях, а также всем сотрудникам лаборатории сильных землетрясении и сейсмометрии ИФЗ РАН за доброжелательное отношение к работе диссертанта.

Автор особо признателен заведующему лабораторией тектонофизики ИФЗ РАН д.ф.-м.н. Ю.Л. Ребецкому за ценные советы, предоставленные материалы и методическую помощь в процессе выполнения работы.

Автор выражают благодарность A.B. Ландеру за помощь в определении механизмов очагов на основе разработанной им программы.

Автор признателен всему Сирийскому сейсмологическому центру за предоставление записей региональной сети и персонально директору сейсмологического центра Мухамеду Дауду и заведующему отделом сейсмология Самеру Багу.

Автор благодарит все руководство ИФЗ РАН за поддержку и помощь при выполнении работы.

1. Сейсмическая история и сейсмотектоника Сирии (обзор)

Представление о сейсмичности Сирии по историческим и инструментальным данным резко отличается. Согласно данным о косейсмичных поверхностных нарушениях в доисторический и ранний исторический периоды сейсмическая активность представляется очень высокой. На рис. 1 показаны карты поверхностных нарушений по данным статьи [Ambraseys, Jackson, 1998]. В инструментальный период (после 1900 г.) нет ни одного события, для которого были бы выявлены поверхностные нарушения, что свидетельствует о невысоком уровне сейсмичности. По данным каталога Международного сейсмологического

центра уровень сейсмичности также следует считать умеренным - за все время надежных инструментальных данных, т.е. с 1960 г. на территории Сирии нет землетрясений с магнитудой более 5.5 [ISC..., 2010]. Возможно, что в настоящее время территория Сирии находится в состоянии затишья, т.е. это временное явление, а не устойчивая тенденция понижения активности. Учитывая большую разницу в продолжительности исторического и инструментального каталогов, уверенно этого сказать нельзя. Также не исключено, что магнитуды исторических и палео землетрясений систематически завышались. В результате может создаться впечатление о спаде современной сейсмической активности. Но каковы бы ни были причины, легко видеть существенные различия в уровне сейсмической активности в прошлом и в настоящем.

Несмотря на некоторые различия в определении магнитуд и положения эпицентров, во всех опубликованных источниках основная сейсмичность Сирии связывается с зоной трансформных разломов Мертвого моря (рис. 1).

С этим пространственным распределением сейсмичности согласуются и представления об активных тектонических разломах Сирии (рис. 2).

Высокая контрастность проявления сейсмичности и активных разломов отражена в оценке сейсмической опасности. Несмотря на относительно небольшую территорию, интенсивность ожидаемых сотрясений варьирует от 5-6 баллов до 9-10 баллов MSK.

Выводы по главе 1

Учитывая невысокую современную сейсмическую активность территории Сирии и удаленность мировой сети, перспективы исследования пространственно-временных вариаций сейсмичности и механизмов очагов землетрясений связаны, в первую очередь, с использованием региональных данных. Это позволяет сместить акцент с глобальных моделей к более детальным региональным построениям.

Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений, с которыми связаны поверхностные нарушения по данным [Ambraseys, Jackson, 1998]; (а) самый ранний период, (б) исторические землетрясения. Жирная черта показывает реальный азимут и длину разрыва; тонкая -реальный азимут, а длина разрыва показана условно. Серые эпицентры - события, для которых магнитуды определены, возможно, с большой ошибкой. Белый кружок — магнитуда неизвестна.

2. Сейсмический режим в Сирии

Материалом для исследования сейсмического режима послужили записи землетрясений, полученные на региональной сейсмической сети Сирии. Регистрация велась с 03.01.2009 г. по 30.06.2011 г. Диссертантом были обработаны все сейсмограммы за этот период и выделено 292 землетрясения (пример записи и ее обработки показан на рис. 3, расположение станций см. на рис. 6).

Для определения координат гипоцентра, кроме набора времен вступления сейсмических фаз на станциях, необходим скоростной разрез среды. Из всех обработанных землетрясений были отобраны 50 событий, зарегистрированных более чем на 8 станциях. Путем перебора более тысячи вариантов была выбрана скоростная модель, обеспечившая минимум средней невязки для тестовой выборки (табл. 1). Расчеты проводились также с использованием стандартной скоростной модели Сейсмологической службы Сирии (табл. 2). В таблицах дана глубина кровли каждого слоя, скорость в слое принята постоянной.

На рис. 4 показаны невязки для стандартной и альтернативной скоростных моделей. Средняя невязка RMS для альтернативной модели на 30% меньше.

......з/е 4(te

Рис. 2. Упрощённая карта современной геодинамики Сирии и соседних территорий. Составили В.Г. Трифонов, Д.М. Бачманов, А.Е. Додонов, Т.П. Иванова, A.C. Караханян, О. Аммар, А.-М. Аль-Кафри, X. Минини, О. Али, М. Али и Т. Заза [Trifonov et al., 2011 ]

1-8 - активные разломы: 1 - главные (скорости движений V>1 мм/год); 2 -второстепенные (V<1 мм/год); 3 - возможно активные разломы; 4 - предполагаемые продолжения активных и возможно активных разломов; 5 - сдвиг; 6 - сброс; 7 - взброс или надвиг; 8 - раздвиг; 9-12 - эпицентры землетрясений: 9 - инструментальных М=4.5-5.4; 10 - инструментальных М=5.5-6.8; 11 - исторических М=5.7-6.9; 12 - исторических М=7.0-7.8. 13-15 - четвертичные базальты: 13 - ранний и средний плейстоцен; 14 - поздний плейстоцен; 15 - голоцен. 16-19 - структурные элементы: 16 - высокие поднятия; 17 -средние поднятия; 18 - оси антиклиналей; 19 — впадины.

Рис. 3. Запись землетрясения 20/12/2010 21:31:18 на станции №N1(11. Отмечены волны Р. 5" и вспомогательная метка q, используемая для выделения участка записи, на которой автоматически снимается максимальная амплитуда волны 8. Табл. 1. Альтернативная скоростная модель__

N КДкм/сек) К?(км/сек) глубина(км)

1 5.40 3.12 0

2 5.50 3.18 6

3 6.00 3.47 11

4 6.40 3.70 19

5 8.00 4.62 39

Табл. 2. Стандартная скоростная модель, используемая сейсмологической службой Сирии [Ibrahim et al., 2009]____

N К^(км/сек) К?(км/сек) VP/Vs глубина(км)

1 5.68 2.99 1.90 0

2 5.87 3.48 1.69 4

3 6.18 3.48 1.78 10

4 6.74 3.95 1.71 18

5 8.00 4.64 1.72 37.50

На рис. 5 представлены глубины гипоцентров по этим же моделям. Для удобства сравнения на рис. 4 и 5 нанесена прямая с наклоном 45°. При использовании стандартной скоростной модели 17 землетрясений имеют значение глубины 0 км. В рамках альтернативной модели они распределяются в интервале от 0 до 10 км. Нулевые глубины, как правило, являются артефактами. Поэтому не только на основании уменьшения невязок, но и на основании физически более приемлемого распределения глубин, альтернативная модель выглядит

предпочтительней. Что касается эпицентров, то их положение слабо зависит от выбранной модели: для 29 землетрясений эпицентр смещается примерно на 0.5 км и для 12 событий - примерно на 1.5 км. Для 82% землетрясений эпицентр сместился менее чем на 2 км.

В тестовую выборку были отобраны 50 землетрясений, зарегистрированных на относительно большом числе станций. Поэтому данный вывод не связан с низким качеством исходных данных. Хотя выбор альтернативной модели основан на величине RMS средней невязки для всего набора данных, эта величина не является единственным показателем качества скоростной модели. Более полное представление дает анализ глубин гипоцентров. В реалистичной скоростной модели не отмечается концентрация гипоцентров на глубине 0 км.

1.20-, сек 25.

к 0.20-

S

|ю4

-1—'—I—1—I—'—I ' I 5 10 15 20 25

глубина (стандартная скоростная модель)

Рис. 5. Глубина стандартной и скоростных моделей

гипоцентра для альтернативной

-1-1-1-1-1-1

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.2 RMS (стандартная скоростная модель)

Рис. 4. Невязка RMS для стандартной и альтернативной скоростных моделей. В среднем RMS для альтернативной модели на 30% меньше.

На рис. 6а представлена карта эпицентров землетрясений. Прямоугольник S-N очерчивает область наибольшей плотности эпицентров. Все события внутри этой области нанесены на разрез по глубине вдоль профиля S-N (рис. 66). На разрезе перевернутые треугольники указают места выхода разрыва на поверхность.

Рис. 6. (а) Карта расположения станций (треугольники), эпицентров землетрясений (кружки) и профиль S-N. (б) Разрез по глубине вдоль профиля S-N, перевернутые треугольники на профиле отмечают места выхода разрыва на поверхность.

На рис. 66 выделяются две области сгущения гипоцентров. В первой, южной, облако гипоцентров распространяется до глубины примерно 35 км. Во второй, северной, гипоцентры расположены вертикально до глубины 15 км, затем облако имеет наклон к северу, и гипоцентры отмечаются до глубины примерно 20 км.

Механизмы очагов землетрясений определялись для тех же 50 землетрясений, которые использовались в качестве тестовой выборки для анализа локации гипоцентров. Все механизмы определялись с помощью программы «FA» A.B. Ландера [Комплекс программ... 2004] для сравниваемых выше двух скоростных моделей.

На основании углов погружения главных осей напряжений классифицировался кинематический тип движения. Использовалась классификация на три типа механизмов из работы [Simpson, 1997; Anderson, 1951] (табл. 3). Согласно этой типизации, при расчетах со стандартной скоростной моделью получены 25 сбросов (50% от общего числа событий), 18 взбросов (36%) и 7 сдвигов (14%). При использовании альтернативной скоростной модели из 50 решений тип механизма изменился для 9 землетрясений (18% выборки).

Табл. 3. Тип механизма очага землетрясений на основании углов погружения главных осей напряжения._

Сдвиги Взбросы Сбросы

Углы погружения оси сжатия Р <45° <45° >45°

Углы погружения оси растяжения Т <45° >45° <45°

Опасения, что решение механизма очага по знакам первых вступлений на региональных станциях является ненадежным, поскольку сильно зависит от скоростной модели, которая может быть известна не очень точно, не оправдались.

Конкретные параметры механизма (азимут простирания, вектор подвижки и угол падения нодальной плоскости), рассчитанные для разных моделей, варьируют в значительной степени. Однако тип движения определяется надежно и мало зависит от модели. Так, несмотря на значительную вариацию разреза, для 82% решений тип движения (сброс, сдвиг или взброс) остался неизменным.

Классификация [Simpson, 1997; Anderson, 1951] упрощенная. Она не учитывает существование комбинированных типов механизмов, таких, например, в которых сдвиг и взброс присутствуют в сопоставимых пропорциях. В этом отношении более гибкой является классификация [Louvari, Kiratzi, 1997]. В соответствии с ней (рис. 7) землетрясений с комбинированным типом движения в Сирии практически не встречается. Всего 6 механизмов из 50 принадлежат этому типу, причем 2 из этих 6 в пределах точности определения можно отнести к простому типу (в данном случае простым считается механизм, в котором доминирует сдвиг, взброс или сброс).

Syria (N=50)

Р(0°)

т«Г)

50 60 70 90

Р,град

W Я 30 40

Рис. 7. Типы механизмов очагов Рис. 8. Оси погружения Р и Т осей 50 землетрясений Сирии согласно землетрясений Сирии. Альтернативная

классификации [Ьоцуап, К\Ш21, 1997]. скоростная модель

Альтернативная скоростная модель.___

Поскольку землетрясения с комбинированным типом очага в выборке практически не встречаются, можно утверждать, что заключение о независимости кинематического типа от скоростной модели не связано с принятой классификацией. Применение более детальной классификации по сравнению с классификацией на три типа не меняет представление о механизмах очагов.

Мы рассмотрели две классификации механизмов очагов по кинематическому типу. При этом считалось, что значения углов Р и Т были определены точно. Однако существует случайная ошибка в определении осей Р и Т и, чтобы уменьшить ее влияние, применен метод, описанный в работе [Лукк и др., 1978]. В этом методе предлагается подсчитывать число событий, попадающих в интервал значений Р и Т, группированных по 10° со сдвигом на 5°. Так осуществляется сглаживание и уменьшается влияние случайной ошибки отдельных определений (рис. 8).

Самый существенный вывод, который можно сделать по результатам, приведенным на рис. 8, заключается в том, что решения не распределены равномерно по типам движения, они явно группируются. Подавляющее большинство механизмов соответствуют крутому падению оси Р и пологому Т (тип движения сброс).

Группирование, обнаруживаемое в данных, оправдывает классификацию механизмов очагов Сирии по кинематическому типу.

Выводы по главе 2

1. Составлен каталог землетрясений Сирии по данным региональной сети наблюдений.

2. На основании перебора нескольких тысяч моделей выбрана альтернативная скоростная модель коры.

3. Показано, что даже значительные вариации скоростной модели слабо влияют на положение эпицентра землетрясения, но оказывают существенное влияние на определение его глубины.

4. Определены механизмы очагов по знакам первых вступлений на региональных станциях. Параметры нодальных плоскостей чувствительны к вариации скоростной модели, но кинематический тип движения определяется устойчиво. Этот вывод не зависит от того, выделены ли те или иные типы механизмов на основании простой или более детальной классификации.

5. На основании данных региональной сети подтверждаются основные черты сейсмичности Сирии: а) наиболее активной сейсмотектонической провинцией является зона трансформных разломов Мертвого моря; б) пространственное распределение сейсмичности крайне неоднородно. Детальные региональные данные позволяют обнаружить дополнительные особенности. Выделяются кластеры землетрясений к востоку от зоны трансформных разломов, где активные разломы близширотного простирания примыкают к ней. Пространственное распределение гипоцентров показывает, что эти активные разломы близвертикальны. Впрочем, однозначного соответствия кластеров отдельным разломам нет.

3. Возможности локальных сетей в изучении механизмов очагов землетрясений: афтершоки Алтайского землетрясения 2003 г.

Данный раздел имеет методическое значение. Цель - выявить возможности современных методов реконструкции тектонических напряжений на пространственном масштабе очаговой зоны отдельного сильного землетрясения. В качестве примера изучения выбрано Алтайское землетрясение 27 сентября 2003 г. {Му, = 7.0). Его очаг находился в пределах юго-западного сегмента Чаган-Узунского блока. По результатам сейсмотектонического обследования района землетрясения [Рогожин и др., 2004] протяженность разрывов на поверхности составляет около 65 км. Анализ афтершоковой последовательности этого землетрясения [Арефьев и др., 2006] установил следующие размеры облака повторных толчков: длина 75 км, максимальная ширина 20 км, вертикальная протяженность 17 км. Средняя подвижка по разрыву в очаге составила 2.5 м.

50.4"

Рис. 9. Карта расположения 50' станций и эпицентров 110 афтершоков по данным сейсмической сети ИФЗ РАН. Прерывистые линии - разрывы на поверхности [Рогожин и др., 2004].

49.8"

В 2004 г. в районе Алтайского землетрясения ИФЗ РАН установил 12 цифровых сейсмических станций. Сеть работала с 25.06 по 01.09. За это время было зарегистрировано более 1500 афтершоков. Для создания каталога механизмов очагов землетрясений были выбраны 82 афтершока, имевшие записи хорошего качества на 10-ти и более станциях. Полевые работы были продолжены в 2005 г. с 11.08 по 14.09. В 2005 г. было зарегистрировано около 500 афтершоков (расположение станций такое же, как в 2004 г.). Для определения механизмов очагов в 2005 г. выбраны 28 афтершоков, зарегистрированных на 8 станциях и

более. Таким образом, полный каталог механизмов за два периода наблюдений составил 110 событий (рис. 9).

Сейсмические станции расположены в основном к северо-востоку от облака афтершоков, однако наличие станции OIB в крайней западной части Чуйской межгорной впадины и к югу от Чаган-Узунского блока обеспечило удовлетворительное окружение для значительной части афтершоков. Максимальные значения RMS для рассчитанных гипоцентров не превышали 0.2 с. Результаты локации афтершоков показали, что их расположение в пространстве хорошо согласуется с выходом разрыва в очаге землетрясения на дневную поверхность [Рогожин и др., 2004].

В главе 2 были представлены два различных варианта классификации механизмов очагов по их кинематическому типу. Для анализа механизмов афтершоков Алтайского землетрясения также использовались эти две классификации. В анализе напряженного состояния для выделения различных геодинамических режимов деформирования, как правило, пользуются более детальной классификацией [Ребецкий, 2007].

Согласно простой типизации, афтершоки 2004 г. выглядят следующим образом: более половины событий 50 (61%) представляют собой взбросы, 26 (32%) - сбросы, 6 (7%) - сдвиги. В 2005 г. получили следующие разделение данных по типам механизма очага: 18 (64%) - взбросы, 6 (22%) - сбросы и 4 (14%) - сдврги. На рис. 10 (а,б,в), показаны механизмы афтершоков, разделенные на три указанных типа. Сдвиговые механизмы находятся только в средней части исследуемого района - вблизи Чаган-Узунского блока, а сбросы и взбросы встречаются по всей зоне.

Согласно детальной классификации число чистых сбросов сократилось с 32% до 16%, взбросов уменьшилось на треть, а число взрезовых механизмов -промежуточных между сбросами и взбросами - сопоставимо со взбросами. Взрезовым механизмам отвечает субвертикальное положение одной из нодальных плоскостей с возможным отклонением от вертикали до 15°. Такого типа трещины могут образовываться в достаточно широкой зоне разлома, имеющей общее вертикальное погружение, но сформированной ветвящейся системой внутренних трещин [Шерман, Борняков, Буддо, 1983; Семинский, 1986; Борняков, 1988].

Оси алгебраически минимального главного напряжения - максимального девиаторного сжатия о3 - в коре Курайской впадины (северо-западный сегмент афтершоковой области) имеют северо-восточное простирание, ортогональное простиранию разрывов; они погружаются в северо-восточном направлении.

Подобное направление простирания здесь имеют и оси алгебраически максимального напряжения - максимального девиаторного растяжения аь При этом их погружение более крутое и ориентировано на юго-запад. Таким образом, оси С\ и <з3 в Курайской впадине имеют близкое простирание, но погружаются в противоположных направлениях.

30 I*

кг п.у rn.tr К7.Г 88.2'

Рис. 10. Пространственное

распределение афтершоков по типам механизмов: а) взбросы, б) сбросы, в) сдвиги.

Такое же простирание этих осей отмечается в коре концевой восточной части афтершоковой области (Чуйская впадина), но здесь уже более крутое погружение имеют оси а3. Направление погружения осей двух главных напряжений изменяется. Здесь оси ст3 погружаются на юго-запад, а 0! - на северо-восток. Оси промежуточного главного напряжения ориентированы в обоих рассмотренных участках параллельно простиранию разрывов на поверхности исследуемой области и полого погружаются на восток — юго-восток и юго-восток.

При приближении к границе Курайской впадины и Чаган-Узунского блока оси максимального сжатия разворачиваются, их северо-восточное простирание сменяется на запад - северо-западное. Таким оно сохраняется практически до границ этого блока с Чуйской впадиной. Погружение осей о3 здесь на восток -юго-восток. Так же, как и на двух ранее рассмотренных участках коры, оси о^

имеют параллельное осям с3 простирание, но противоположное погружение, т.е. на запад - северо-запад.

В коре участка Чаган-Узунского блока оси о, и а2 имеют менее стабильную ориентацию (особенно в западной его части), чем а3. Здесь О] может изменять свою ориентацию от субвертикальной до пологой. Вновь стабильная ориентация всех главных осей наблюдается в коре Чуйской впадины к востоку от границы с ней Чаган-Узунского блока. Оси а3 в восточной части коры этого участка имеют сначала простирание, параллельное разрывам на поверхности, а затем они разворачиваются, принимая ортогональное к ним простирание.

Районирование по значениям угла погружения оси максимального сжатия делит всю область на три сегмента: западный (кора Курайской впадины) со средней крутизной погружения (30-45°); центральный (кора района Чаган-Узунского блока) с самым пологим погружением (менее 15°); восточный (кора Чуйской впадины) с достаточно крутым погружением (более 45°).

Особенности в ориентации главных осей напряжений отразились в районировании афтершоковой области по геодинамическим режимам. Выделяются три режима. Первый, охватывающий северо-западный сегмент афтершоковой области (кора Курайской впадины), отвечает горизонтальному сжатию и сдвигу в вертикальной плоскости. Второй режим (кора Чаган-Узунский блока) отвечает горизонтальному сжатию и его сочетанию с горизонтальным сдвигом. Третий режим (кора Чуйской впадины) сочетает сдвиг в вертикальной плоскости с горизонтальным сжатием и растяжением.

Вид тензора напряжений в основном соответствует модели «двойной диполь». Отметим также, что в коре района Чаган-Узунского блока имеется ряд определений тензора напряжений, близких к одноосному сжатию.

Метод МКА позволяет выбрать из двух нодальных плоскостей ту, которая является действующей в очаге землетрясения. Для северо-западного сегмента исследуемого района большинство реализованных плоскостей имеет простирание от 295° до 320°, падение от 36° до 73°, вектор подвижки ориентирован от 92° до 107°. В центральном и юго-восточном сегментах имеются плоскости подобной и субортогональной ориентации.

Мы показали возможности локальных наблюдений над афтершоковой последовательностью с целью выявления напряженного состояния очаговой зоны и анализа ее геодинамического режима. Рассмотрим возможности исследования очага сильного землетрясения на основании телесейсмических данных.

Для определения механизма очага Алтайского землетрясения и его сильного афтершока 27/09/2003 в 18:52:52 генерированы синтетические сейсмограммы на телесейсмических расстояниях [Herrmann, 2011]. Они неплохо соответствуют наблюденным сейсмограммам (рис. 11). Синтетические сейсмограммы для сильнейшего афтершока также хорошо совпадают с реальными записями.

Программа строит синтетические сейсмограммы и соответствующий механизм для широкого диапазона глубин. Для каждого решения определяется величина

соответствия наблюденным записям ф. На рис. 12 представлены графики соответствия для главного толчка и афтершока. Для главного толчка величина соответствия f заметно выше. Однако есть значительная неопределенность в оценке глубины: распределение Г с глубиной имеет два максимума. Первый максимум (на уровне ^0.64) наблюдается для интервала глубин 3-6 км, т.е. очаг расположен вблизи поверхности; второй максимум (Г~0.65) соответствует глубинам 50-65 км, т.е. ниже коры. Поскольку очаг вышел на поверхность, второе решение явно не согласуется с наблюдениями, но, формально, предпочтение должно быть отдано этому решению, поскольку Г (совпадение с реальными записями) в этом случае выше. При этом механизм для глубокого очага ближе к решению СМТ, хотя совпадение нельзя считать идеальным (решение СМТ имеет большую компоненту сдвига).

P_KBSIU10 за.7 343

P_SMERAZ

ЛГ—351 JWT 234 лг—^

900 960 1020 I0S0

Time IseO

SH_KIVII00 31 .0 276

SH_FFCII00 73.3 6

SH_LBTBGT00 92.a 234

SH_MCKAK 50.2 60% " 26

. SH_DBICG"

Л 86.7 22 00

20*

1330 1020 1710 1B00

Time itec)

Т1л!е (вес)

Рис. 11. Примеры реальных (верхние) и синтетических (нижние) сейсмограмм для главного толчка. Справа от сейсмограммы указана волновая фаза, название станции, сеть, канал, эпицентральное расстояние, азимут и невязка; слева - амплитуда в метрах.

Для повторного толчка максимум {=0.45-^0.47, что значительно ниже, чем для главного толчка. Максимальным значениям f для афтершока соответствует интервал глубин 6-21 км (формально, максимум отмечен на глубине 17 км) -очень реалистичная оценка глубины. Совпадение с решением СМТ также очень хорошее.

Приведенные результаты показывают, насколько осторожно надо подходить к результатам интерпретации данных на телесейсмических расстояниях. Формальная оценка качества результата, как это было для главного толчка, может оказаться выше у решения, которое не согласуется с полевыми геологическими наблюдениями. Вместе с тем, для явно надежного решения оценка результата может быть низкой, что произошло для сильного афтершока.

Выводы по главе 3

1. Методы анализа напряжено-деформированного состояния среды и геодинамического режима могут быть успешно применены для исследования очаговых зон сильнейших землетрясений. Данные локальных сетей наблюдений позволяют получать гораздо более достоверные и детальные результаты, чем это возможно по телесейсмическим записям.

2. Формальные критерии сравнения синтетических и наблюденных сейсмограмм не гарантируют выбора наилучшего решения. Обоснованность формальных оценок должна контролироваться всем комплексом данных наблюдений.

0.75

0.70

0.65

0.60 т

0.55

0 50

045

0.40

0.55

Рис. 12. Графики соответствия (0 синтетической и наблюдаемой фаз Р волн для главного толчка 2003/09/27 11:33:36 и афтершока 2003/09/27 18:52:52.

Кроме выводов принципиального характера, укажем:

1. Точная локализация афтершоков показала, что их расположение в пространстве находится в хорошем соответствии с выходом разрыва в очаге землетрясения на дневную поверхность, очаг землетрясения имел следующие размеры: длина 70 км, ширина 22 км.

2. Даже спустя два года после землетрясения во время полевых наблюдений в течение полутора месяцев в 2005 г. было зарегистрировано около 500 землетрясений. Это свидетельствует о том, что сейсмичность очаговой зоны осталась на высоком уровне в течение двух лет.

3. Результаты реконструкции напряжений по данным о механизмах очагов афтершоков показали, что кора исследуемого района может быть разделена на три зоны, отличающиеся по характеру напряженного состояния: Курайская, Чаган-Узунская и Чуйская. При переходе от одной зоны к другой меняется ориентация осей главных напряжений. Вероятно, источником такой смены ориентации является массив Чаган-Узунского блока.

4. Основными геодинамическими режимами являются режимы горизонтального сжатия и сдвига в вертикальной плоскости.

4. Механизмы землетрясений и напряженное состояние земной коры в Сирии

Для анализа напряженного состояния использованы результаты главы 2 и данные СМТ (рис. 13).

Для территории Сирии известны всего три решения СМТ. Вместе с тем, это довольно существенное дополнение, поскольку магнитуды этих землетрясений значительно выше тех, что были зарегистрированы региональной сетью за 2009 -2011 гг. Эти события также вошли в нашу базу данных (рис. 13). Из указанных трех землетрясений два явно не относятся к зоне разломов Мертвого моря. Одно землетрясение, эпицентр которого находится в прибрежной части акватории Средиземного моря, может быть отнесено к трансформной зоне лишь условно.

Реконструкция напряжений осуществлялась с использованием автоматизированной программы 8ТЯЕ88_5е1згп, которая реализует метод катакластического анализа (МКА) разрывных смещений [Ребецкий, 2007]. В главе 3 для анализа напряженного состояния был применен только первый этап алгоритма. Для Сирии были реализованы два первых этапа и получены данные об эллипсоиде напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций [Костров, 1974], а также об относительных величинах эффективного давления и максимального касательного напряжения.

После определения ориентации осей главных напряжений и значений коэффициента Лоде-Надаи, на втором этапе МКА определяются относительные величины напряжений. В МКА также предусмотрена процедура выбора одной из нодальных плоскостей в качестве действующей [Ребецкий, 2003, 2005, 2007, 2009]. Реализованные плоскости для землетрясений кластера 1 (и других) отмечены на рис. 13.

Выделены пять кластеров, разных по площади и числу событий (рис. 14). В кластере-1 преимущественно представлены механизмы взрезового типа, когда одна из нодальных плоскостей субвертикальная. Здесь также есть механизмы очагов сбросового типа. Общее число событий в данном кластере - 7. Напряженное состояние этого кластера близко к горизонтальному сжатию при простирании оси максимального девиаторного сжатия <т3 на северо-восток. Тип тензора напряжений представляет собой комбинацию чистого сдвига (двойной диполь) и одноосного растяжения (коэффициент Лоде-Надаи ¡ла «—0.36).

В кластере-2 преимущественно представлены механизмы взрезового и сбросового типов. Общее число событий - 9. Напряженное состояние этого

кластера близко к вертикальному сдвигу, ось сг3 погружена на запад (55°), а сг1

на восток (27°). Значение коэффициента Лоде-Надаи близко к чистому сдвигу (

/^«-0.1).

Кластер-3 содержит десять землетрясений с механизмами типа взрезов, сбросов со сдвигами и взбросов со сдвигами. Они пространственно близки друг к другу и поэтому объединены в одну начальную выборку. Результаты анализа дают

21

ориентацию осей максимального сжатия на юго-восток и погружение на юго-запад осей девиаторного растяжения.

Рис. 13. Карты механизмов очагов землетрясений Сирии (светлый квадрант - сжатие) по записям местной сети сейсмических станций и по данным Гарвардского университета (СМТ). Разделение на две карты а и б сделано для удобства представления данных о механизмах очагов землетрясений. Жирная прерывная дуга - реализованная нодапьная плоскость согласно алгоритма МКА.

Кластеры 4 и 5 содержат, соответственно, шесть и десять событий в начальной выборке. Результаты реконструкции для них дают близкие ориентации осей максимального сжатия £Х3 на северо-запад при крутом их погружении (7Г-73"). В этих определениях несколько отличаются ориентации осей главного напряжения ег, (ось девиаторного растяжения). Для кластера-4 они полого погружены (14°) на восток-северо-восток, а для кластера-5 также полого (16°) на восток-юго-восток.

Таким образом, важнейшим результатом работы является то, что в механизмах очагов слабых землетрясений доминирует кинематический тип (сброс), отличающийся от того, который проявляется в относительно сильных землетрясениях (сдвиг). При этом в слабых землетрясениях присутствуют и другие типы механизмов, из-за чего напряженное состояние разнородно в отдельных участках земной коры.

Рис. 14. Зоны пяти кластеров землетрясений, выделенных для создания начальных выборок механизмов очагов землетрясений.

По данным СМТ за последние двадцать лет самые сильные землетрясения на территории Сирии (М„=5.0—5.5) характеризовались

сдвиговым механизмом. А по данным о 50 слабых землетрясений получено 25 сбросов (50% от общего числа событий), 18 взбросов (36%) и 7 сдвигов (14%>).

Результаты реконструкции напряжений (обрамление поднятия Кассюн, кластеры 1 и 2) показывают резкую смену напряженного состояния при переходе через Дамасский разлом с восточного борта на западный. Если для северозападного борта погружение осей максимального сжатия крутое (55°) на юго-запад, то для восточного эта ось полого погружена на восток-северо-восток. Третий кластер, находящийся в коре северного склона другого поднятия Кальамун, дает третье направление действия осей максимального сжатия -погружение на юго-восток.

В области первых двух кластеров в коре существует большое число разломов разного ранга. На рис. 15 показаны наиболее крупные из них. Это правые сдвиги с простиранием в направлении восток-юго-восток и крупный разлом СВ простирания, в котором присутствует взбросовая и левосдвиговая компоненты движения. Полученные данные об ориентации главных осей напряжений первых двух кластеров согласуются с кинематикой разрывов этой области. При этом главное промежуточное напряжение в этой зоне играет важную роль, т.к. либо ось максимального сжатия (кластер-2), либо ось минимального сжатия (кластер-1) ориентированы субвертикально.

Напряженное состояние северного обрамления Пальмирид имеет субвертикальную ориентацию осей максимального сжатия по данным четвертого и пятого кластеров. На тектонической карте [Трифонов и др., 2010] здесь нет крупных разрывов.

Выводы по главе 4

I. В механизмах очагов слабых землетрясений доминирует кинематический тип (сброс), отличающийся от того, который проявляется в относительно сильных землетрясениях (сдвиг). При этом в слабых землетрясениях присутствуют и другие типы механизмов. Вероятнее всего, это определяется тем, что слабые

землетрясения связаны с подвижками по мелким оперяющим разломам, которые могут иметь достаточное хаотичную ориентацию.

2. Результаты реконструкции для кластеров 1 и 2 показывают резкую смену напряженного состояния в коре при переходе через Дамасский разлом с восточного борта на западный. Если для северо-западного борта погружение осей максимального сжатия крутое (55°) на юго-запад, то для восточного борта ось этого напряжения полого погружена на восток - северо-восток.

3. К северу от поднятия Каламун (кластер 3) оси максимального сжатия погружаются на юго-восток. Напряженное состояние для северного обрамления горного поднятия Пальмирид (кластеры 4 и 5) характеризуется субвертикальной ориентацией осей максимального сжатия. Вероятно, эти различия обусловлены региональной тектоникой, поскольку кластер 3 отделен от кластеров 4 и 5 зоной субширотных разломов.

4. Уровень напряжений, связанный со значениями редуцированных параметров

V / Т Т / Т г

у ? и ', является наибольшим для кластера 2 (наименьший разброс

точек на диаграмме Мора) и наименьшим для кластера 3 (разброс точек на диаграмме Мора наибольший). Для трех других кластеров уровень напряжений находится между уровнем напряжений этих двух кластеров.

X.

о- » , °2

ог

а) б)

Рис. 15. Ориентация осей главных напряжений <Т3 (максимальное сжатие), (Т2

(промежуточное), О", (минимальное сжатие или девиаторное растяжение), а - оси двух главных напряжений ¿Т3 и (Т1 , б - оси двух главных напряжений только с пологим погружением (исключение кластер 3).

ЭР- Дамасский разлом, поднятия: Кв- Кассюн, КА- Каламун, РА- Пальмириды.

Заключение

В работе обобщены известные сведения о сейсмичности и сейсмотектонике Сирии. Отмечено, что пространственное распределение землетрясений на ее территории крайне неравномерно. Несмотря на относительно небольшие размеры, территория Сирии характеризуется сложным и контрастным строением также с геологической точки зрения. Наиболее крупной тектонической провинцией, к которой приурочены сильнейшие землетрясения, является зона трансформных разломов Мертвого моря. Эта зона хорошо изучена на основании геологических и сейсмологических данных мировой сети.

Сейсмичность зоны разломов Мертвого моря в доисторический, исторический и инструментальный периоды существенно выше, чем в настоящее время. В связи с невысоким уровнем современной сейсмичности более детальные представления о сейсмическом режиме и напряженном состоянии могут быть получены только на основании данных региональных сейсмометрических сетей, поскольку мировая сеть недостаточно надежно контролирует слабую сейсмичность. Предварительная обработка и анализ региональных сейсмологических данных Сирии является основным направлением представленной работы.

В результате обработки записей на региональных станциях Сейсмологической службы Сирии составлен каталог землетрясений. Были опробованы различные скоростные модели среды и составлена альтернативная скоростная модель, которая по сравнению со стандартной региональной моделью дает более реалистичные оценки глубины гипоцентров.

Проведены многочисленные тесты. Даже значительные вариации скоростной модели слабо влияют на положение эпицентра землетрясения, но оказывают существенное влияние на определение глубины гипоцентра.

На основании данных региональной сети подтверждаются основные черты сейсмичности Сирии: наиболее активной сейсмотектонической провинцией является зона трансформных разломов Мертвого моря. Региональные данные позволяют обнаружить дополнительные детали. Выделяются кластеры землетрясений к востоку от зоны трансформных разломов, где к ней примыкают активные разломы близширотного простирания. Пространственное распределение гипоцентров показывает, что эти активные разломы близвертикальны.

Эти результаты подтверждают первое защищаемое положение о том, что сейсмичность Сирии не сводится только к активности зоны разломов Мертвого моря, хотя эта зона является наиболее сейсмически опасной.

Определены механизмы очагов землетрясений Сирии по знакам первых вступлений на региональных станциях. Установлено, что параметры нодальных плоскостей чувствительны к вариации скоростной модели, однако кинематический тип движения определяется устойчиво и слабо зависит от скоростной модели. Применение различных способов классификации механизмов очагов показало, что этот вывод не зависит от того, выделены ли те или иные кинематические типы на основании простой или более детальной классификации.

Этот результат, как и результаты тестирования скоростных моделей при составлении каталога землетрясений подтверждают второе защищаемое положение об устойчивости локации эпицентров и определения кинематического типа движения в очагах.

В работе показано, что методы анализа напряженно-деформированного состояния среды и геодинамического режима могут быть успешно применены для исследования очаговых зон сильнейших землетрясений. Данные локальных сейсмологических сетей позволяют получать более достоверные и детальные результаты, чем это возможно по телесейсмическим записям. Этот вывод нашел подтверждение на примере конкретных результатов, относящихся к очаговой зоне Алтайского землетрясения 2003 г. Даже спустя два года после землетрясения в течение полутора месяцев полевых наблюдений было зарегистрировано около 500 землетрясений, что позволило провести исследование напряженного состояния очаговой зоны по данным об афтершоках.

Результаты реконструкции напряжений по данным о механизмах очагов афтершоков показали, что кора очаговой области Алтайского землетрясения может быть разделена на три зоны, отличающиеся по характеру напряженного состояния. Основными геодинамическими режимами в них являются режимы горизонтального сжатия и сдвига в вертикальной плоскости.

Применение современных методов построения синтетических сейсмограмм для главного толчка и сильнейшего афтершока Алтайского землетрясения по телесейсмическим данным показало, что формальные критерии сравнения синтетических и наблюденных сейсмограмм не гарантируют выбора наилучшего решения. Высокие формальные оценки должны контролироваться всем комплексом данных наблюдений.

В механизмах очагов слабых землетрясений Сирии доминирует кинематический тип (сброс), отличающийся от того, который проявляется в относительно сильных землетрясениях (сдвиг). При этом в слабых землетрясениях присутствуют и другие типы механизмов. Вероятнее всего, это определяется тем, что слабые землетрясения связаны с подвижками по мелким оперяющим разломам, которые могут иметь достаточное хаотичную ориентацию. К сожалению, уровень генерализации тектонических схем и точность определения отдельных механизмов, не позволяют однозначно указать причину наблюдаемого явления, сам факт существования которого установлен надежно.

Поле напряжений резко меняется при переходе через Дамасский разлом с восточного на западный борт. Если для северо-западного борта погружение осей максимального сжатия крутое (55°) на юго-запад, то для юго-восточного ось этого напряжения полого погружена на восток - северо-восток. Данный результат может свидетельствовать о высоком ранге разлома.

К северу от поднятия Каламун (кластер 3) оси максимального сжатия погружаются на юго-восток. Напряженное состояние для северного обрамления горного поднятия Пальмирид (кластеры 4 и 5) имеет субвертикальную

ориентацию осей максимального сжатия. Вероятно, эти различия обусловлены региональной тектоникой, поскольку кластер 3 отделен от кластеров 4 и 5 зоной субширотных разломов.

Эти результаты подтверждают третье защищаемое положение о том, что современные методы анализа тектонических напряжений могут успешно применяться на различных масштабных уровнях, включая очаговые зоны сильных землетрясений.

Следует подчеркнуть, что метод катакластического анализа представляет гораздо более широкие возможности при реконструкции поля тектонических напряжений, чем те, что удалось реализовать в работе. Из-за невысокого современного уровня сейсмической активности Сирии и, как следствие, очень ограниченного набора землетрясений, был применен только первый этап МКА, который позволяет выделить однородные исходные данные и на этом основании определить средний механизм. Для Алтая, где данных было больше, были реализованы первые два этапа МКА, т.е. кроме определения среднего механизма очага, еще оказалось возможным выбрать одну из двух нодальных плоскостей в качестве действующей плоскости.

Публикации по теме диссертации

Омар X. М., Арефьев С. С., Ребецкий Ю. Л. Механизмы афтершоков 20042005 г. и напряженное состояние очаговой области Алтайского землетрясения 2003 г. // Геофизические исследования. 2012, том. 13, № 3, стр. 56-73. Омар X. М., Татевосян Р. Э. Об устойчивости определений механизмов землетрясений по знакам первых вступлений на региональных расстояниях // Вопросы инженерной сейсмологии. 2012, том. 39, № 2, стр. 23-36. Омар Х.М., Татевосян Р.Э., Ребецкий Ю.Л. Механизмы землетрясений и напряженное состояние земной коры в Сирии // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2012. № 2. Выпуск 20. стр. 231-240.

Омар X. М., Ребецкий Ю. Л., Арефьев С. С. Механизмы афтершоков алтайского землетрясения 2003 г и напряженное состояние в его очаговой области для периода 2004-2005 гг. // Материалы второй молодежной тектонофизической школы-семинара (Современная тектонофизика. Методы и результаты), Москва. 17-21 октября 2011г., стр. 207-214.

Омар Х.М., Татевосян Р.Э., Ребецкий Ю.Л. Сейсмический режим и механизы очагов землетрясений Сирии // Материалы докладов третьей тектонофизической конференции в ИФЗ РАН (тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле), Москва. 8-12 октября 2012г., стр. 211-217. Омар Х.М., Татевосян Р.Э. Устойчивость параметров сейсмичности в Сирии по отношению к вариациям скоростной модели // Материалы II Школы семинара (Гординские чтения), Москва. 21-23 ноября 2012 г., стр. 144-149.

Омар Халед Махди

Пространственно-временные вариации сейсмичности и механизм очагов землетрясений Сирии

Автореф.дисс. на соискание Ученой степени кандидата физ.-мат.наук

Формат 60x90/16. усл. Печ. Л. 1 Тираж 100 экз.