ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2010, № 5, с. 77-82
УДК550.3:551.24.02
ДИНАМИКА КУРИЛО-КАМЧАТСКОЙ ЗОНЫ СУБДУКЦИИ
ПО ДАННЫМ GPS
© 2010 г. Г. М. Стеблов1, Н. Ф. Василенко2, А. С. Прытков2, Д. И. Фролов3, Т. А. Грекова1
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, г. Южно-Сахалинск 3Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург Поступила в редакцию 15.05.2009 г.
Курило-Камчатская зона субдукции является наиболее подвижным и сейсмоактивным регионом в северо-восточной части Евразии. Курильская островная дуга — один из немногих тектонически активных регионов, где до недавнего времени не было сети космической геодезии. Первые станции GPS были установлены на Камчатке в 1997 г., а на островах Курильской гряды от Камчатки до о. Хоккайдо — в 2006 г. Собранные геодезические данные позволили выявить геометрию межплито-вого каплинга вдоль всей Курило-Камчатской дуги, а также оценить параметры очагов и их особенности для ряда крупных землетрясений в этом районе.
ВВЕДЕНИЕ
Курило-Камчатская зона субдукции является наиболее подвижным и сейсмоактивным регионом в северо-восточной части Евразии, где скорость по-додвигания океанической литосферной плиты под континентальную составляет ~8 см/год. Здесь происходят как наиболее крупные (с магнитудой более 8), так и самые глубокие (более 600 км) землетрясения. Кроме того, анализ расположения очаговых зон крупных исторических землетрясений в данном регионе [Алексин и др., 1995; Балакина и др., 1993; Федотов, 1965] показывает определенную особенность в их распределении: в средней части Курил они происходят гораздо реже, а именно, за последние 100 лет сильное событие здесь отмечалось лишь в 1915 г. [Федотов, 1965; Ammon et al., 2008]. Подобная неравномерность привела к предположениям об отсутствии здесь межплитового каплинга, обусловленного субдукцией, и, следовательно, невозможности крупных событий в средней части Курильской гряды в ближайшее время [Song, Simons, 2003]. Однако Симуширские землетрясения, произошедшие 15 ноября 2006 г. с Mw = 8.3 и 13 января 2007 г. с Mw =8.1, опровергли такие гипотезы и обусловили интерес ко всему данному региону с точки зрения распределения деформаций и их эволюции во времени. Исследовать эти вопросы удалось по измерениям региональных сетей GPS. На Камчатке первые станции GPS были установлены в 1997 г., они стали основой для развития современной постоянной сети этого региона. В то же время, Курильская островная дуга — один из немногих тектонически активных регионов, где до недавнего времени не было региональной сети космической геодезии. С 2006 г. на островах Курильской гряды от Камчатки до о. Хоккайдо также развернута сеть
станций GPS в рамках сотрудничества Института морской геологии и геофизики ДВО РАН и Геофизической службы РАН. Курильская сеть вместе с уже существующей Камчатской сетью GPS дала обширный экспериментальный материал для геодинамического исследования всего региона (рис. 1).
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕДЛЕННЫХ МЕЖСЕЙСМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
Чтобы изучить распределение деформаций, обусловленных пододвиганием океанской плиты и ее сцеплением с континентальной, мы рассматриваем модель, в которой предполагается, что океанская плита сохраняет жесткость после прохождения перегиба в районе глубоководного желоба до погружения в более горячие слои мантии. Тогда скорость погружающейся части океанской плиты относительно континентальной совпадает со скоростью сближения обеих плит, и с той же скоростью движется нижний край нависающей континентальной коры в части, сцепленной с океанической (рис. 2а).
В общем случае, поле скоростей смещений v(r) в континентальной плите можно представить в виде свертки скорости субдукции vsubduc(r) с функцией отклика среды G(r, rs) в точке r на точечную дислокацию в точке rs:
V [ г, w(х)] = JJg (г, г,)Vsuiduc(rs) dS, (1)
S[w(x)]
где интегрирование выполняется по поверхности сцепления S; нижний край S задается шириной по падению как функцией w(x) расстояния x вдоль простирания желоба (рис. 2б). Различные методы вычисления функции отклика G(r, ^представлены: в [Okada, 1985] — в явном конечном виде для одно-
78
СТЕБЛОВ и др.
Рис. 1. Скорости пунктов GPS Курильской и Камчатской региональных сетей до Симуширских землетрясений 2006—2007 гг. с доверительными эллипсами уровня одной среднеквадратической ошибки. EUR — Евразийская плита, NAM — Североамериканская плита, PAC — Тихоокеанская плита.
родного упругого изотропного полупространства и в [РоГШ^, 1996] — в виде разложения по сферическим функциям для сферической слоистой упругой среды. Таким образом, деформация континентальной коры в районе субдукции определяется скоростью субдукции и геометрией межплитового сцепления. Как показало численное моделирование, пренебрежение сферичностью и слоистостью Зем-
ли заметно проявляется на больших расстояниях от источника дислокации в виде значительных погрешностей, поэтому для расчетов субдукционных деформаций в обширных областях земной поверхности предпочтительнее использовать второй, более сложный из указанных методов — разложение по сферическим функциям.
Сопоставление модельных скоростей (1) с измерениями на поверхности позволяет решить обратную задачу: восстановить по этим измерениям геометрию сцепленной зоны w(x). Для этого необходимо минимизировать средне-квадратическую невязку измеренных и модельных скоростей как функционал от w(x):
min
w (x )
X К GPS - v [ w(x)]| '
(2)
Скорость взаимного сближения двух плит на их общей границе, входящую как (г) в (1), можно получить, зная векторы Эйлера описывающие движение плит на сфере:
vsubduc = ( П 2 - П ! )Х Г,
(3)
где r — радиус-вектор точки на общей границе плит. Найти эти векторы позволяет анализ глобальной сети GPS: в [Kogan, 2008] из 192 станций GPS за период 1995—2007 были отобраны 71 станция, расположенные во внутренних стабильных областях плит, удаленных от пограничных деформируемых поясов. Скорости таких станций и их координаты должны удовлетворять уравнениям движения литосферных плит в системе координат с началом в центре сферы вращения плит:
v ij = Я Х Г P
(4)
где у у, Гу — скорости и координаты /-той станции, лежащей нау-той плите с вектором вращения Решение системы линейных уравнений (4) и результирующая оценка вектора Эйлера (ПРАС -
(а)
Расстояние (км) 200 100
80 мм/год
(б)
Желоб 0
-100
d
Рис. 2. Модель деформирования зоны субдукции: (а) вертикальный разрез смещений; (б) параметризация геометрии межплитового каплинга.
х
Рис. 3. Решение задачи определения геометрии межплитового каплинга вдоль Курило-Камчатского желоба по ОР8-измерениям скоростей до Симуширских землетрясений (рис. 1). Серыми стрелками указаны измеренные скорости с доверительными эллипсами уровня одной среднеквадратической ошибки, черными стрелками указаны модельные скорости при построенной геометрии каплинга. Штриховая линия указывает очаговую зону первого из Симуширских землетрясений 15 ноября 2006 г. с магнитудой М№ = 8.3 по облаку афтершоков (Геологическая служба США).
взаимного вращения Тихоокеанской (PAC) и Североамериканской (NAM) плит представлена в [Kogan, Steblov, 2008] в виде координат полюса: 286.17° в.д, 51.16° с.ш. и угловой скорости 0.766 х х 10-6 град/год. Соответствующая оценка скорости субдукции вдоль Курило-Камчатского желоба по формуле (3) составляет от 76 мм/год на севере (у стыка с Алеутским желобом) до 84 мм/год на юге (в районе о. Хокайдо), при этом вектор скорости направлен практически перпендикулярно желобу.
Решение обратной задачи (2) для Курило-Кам-чатской дуги по указанным выше региональным и глобальным данным GPS представлено на рис. 3. В общем случае такая задача имеет не единственное решение, поэтому искомая функция w(x) в (2) была представлена в виде аппроксимации сплайнами, что позволило наложить ограничения по гладкости на область возможных решений и перейти от поиска решений в бесконечномерном функциональном пространстве к поиску конечномерного набора сплайн-аппроксимаций. Минимизация функционала в (2) выполнялась при таком подходе стан-
дартными численными методами поиска минимума функции нескольких переменных.
В целом получившееся решение характеризуется наибольшей шириной сцепленной сейсмогенной зоны на юге Камчатки и южных Курилах, где должно происходить максимальное накопление деформационных напряжений. Кроме того, выделяются два фрагмента расширения зоны сцепления: в районе м. Кроноцкий и о. Уруп. В отношении средней и северной части Курил, данное построение является в большой степени результатом интерполяции. Отсутствие измерений скоростей в этой части Курил объясняется упомянутыми выше Симуширскими землетрясениями, которые произошли через полгода после установки первых пунктов GPS в этом районе. При этом пункты на островах Матуа и Кетой, наиболее близких к этим событиям, первоначально не были постоянными станциями GPS, а планировались как пункты периодических повторных наблюдений. Однако имеющаяся сеть позволила зафиксировать значительные сейсмические смещения в результате Симуширских событий на всех
140° 145° 150° 155°
^J' Гипоцентр 15.11.2006 Сейсмические смещения по GPS
-.> 1.2200 мм
Рис. 4. Решение задачи моделирования подвижек в очаге первого из Симуширских землетрясений 15 ноября 2006 г. с магнитудой Mw = 8.3 (Global CMT): (а) - сейсмические смещения, зарегистрированные на станциях Курильской региональной сети GPS; (б) - найденное распределение подвижек в очаге.
установленных станциях Курильской сети, даже на станции в г. Южно-Сахалинске, удаленной от очагов на ~500 км [81еЪ1оу й а1., 2007; 2008]. При этом очаговая зона первого события находится в области достаточно обширного, по данной интерполяции, сцепления (рис. 3), поэтому землетрясения здесь следовало когда-нибудь ожидать, что подтверждает также и состоятельность самой интерполяции.
СЕЙСМИЧЕСКИЕ СМЕЩЕНИЯ ВО ВРЕМЯ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Помимо расположения очаговой зоны, с построенной геометрией сцепления согласуется также и распределение подвижки по разрыву для первого из Симуширских событий (рис. 3, рис. 4): 1) п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.