ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 11, с. 75-80
УДК 550.3:551.24.02
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПОСЛЕ СИМУШИРСКИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 2006-2007 ГГ.
© 2011 г. И. С. Владимирова1, Г. М. Стеблов12, Д. И. Фролов3
Геофизическая Служба РАН, г. Обнинск Калужской обл.
2Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 3Физико-Технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург
Непрерывные наблюдения на Курильской сети станций GPS с 2006 г. показали аномальные смещения земной поверхности, сопровождающие сильные Симуширские землетрясения 2006—2007 гг. в течение 2.5 лет после событий. До указанных событий все наблюдательные пункты Курильской сети смещались в сторону континента вследствие субдукционного деформирования континентальной окраины. Для пунктов на островах Матуа, Кетой и Харимкотан, расположенных наиболее близко к очагам, направление смещений после событий сменилось на противоположное, а на другом близлежащем острове: Уруп, претерпело заметный разворот. Моделирование постсейсмического вязкоупругого затухания напряжений в астеносфере позволило дать приемлемое объяснение отмеченным продолжительным аномальным смещениям. Кроме того, в результате решения соответствующих обратных задач оценена вязкость верхней мантии и уточнены параметры самих очагов.
ВВЕДЕНИЕ
Непрерывный мониторинг деформационных процессов во многих сейсмоактивных регионах показывает, что постсейсмические движения, сопровождающие сильные землетрясения, могут достигать значительной интенсивности, сравнимой с самим землетрясением по величине выделившегося скалярного момента. Наиболее характерно это для крупных межплитовых субдукционных землетрясений в верхней пологой части сейсмофокальной зоны. В качестве примера наиболее изученных подобных явлений можно отметить землетрясение около мыса Кроноцкий на Камчатке в 1997 г. с Mw = 7.8, землетрясение в районе острова Суматра в 2004 г. с Mw = 9.0, землетрясение около острова Симушир в 2006 г с Mw = 8.3 (Магнитуды по данным каталога Global CMT, http://www.globalcmt.org). Установленные в этих районах региональные сети GPS выявили различные по продолжительности и простиранию постсейсмические деформации, для объяснения которых в ряде публикаций предложены различные механизмы. Например, в [Burgman et al., 2001] быстрое асейсмическое движение в течение 2 месяцев после Кроноцкого землетрясения обуславливается продолжающимся после основного толчка взаимным скольжением вдоль плоскости разрыва с переменным по скорости коэффициентом трения [Marone et al., 1991]. В то же время, для интерпретации постсейсмических движений, сопровождавших Су-матро-Андаманское землетрясение, предлагается механизм вязкой релаксации напряжений в верхней мантии в условиях сжатия и гравитации [Pollitz et al., 2006]. Кроме того, к числу возможных постсейсмических механизмов относят иногда и выравнивание
порового давления во вмещающих сейсмический разрыв водонасыщеных породах. Вопрос о том, какой из механизмов реализуется после каждого конкретного сейсмического события, остается до сих пор неразрешенным. Наиболее вероятным представляется сочетание всех указанных процессов в разной степени, при этом преобладание того или иного из них меняется со временем и зависит от расстояния до очага.
ПОСТСЕЙСМИЧЕСКИЕ СМЕЩЕНИЯ
СИМУШИРСКИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Наблюдения на Курильской региональной сети GPS, установленной в 2006 г, позволили зарегистрировать сейсмические подвижки во время сильных Симуширских землетрясений 2006—2007 гг. (Mw = 8.3, 15 ноября 2006, и Mw = 8.1, 13 января 2007, по данным Global CMT) [Steblov et al., 2008], а также сопоставить скорости смещений наблюдательных пунктов до и после землетрясений [Стеблов и др., 2010]. Продолжительность GPS-наблюдений в районе Курильской островной дуги составляет уже более 2.5 лет после события 2006 года. Для сравнительного анализа были использованы временные ряды смещений наблюдательных пунктов относительно Североамериканской плиты, отражающие ее деформацию за этот период. Для пунктов сети, удаленных от сейсмического очага 2006 года: на островах Кунашир (KUNA), Шикотан (SHIK), Итуруп (ITUR), Парамушир (PARM), практически не выявляется отклонения скоростей до и после пары Симуширских землетрясений от доминирующего северо-западного направления, обусловленного субдукционным деформированием континенталь-
10 мм/год (2007.5-2008.5) 30 мм/год (2007.5-2008.5) 10 мм/год (2008.5-2009.5) 30 мм/год (2008.5-2009.5)
80 мм/год (Скорость субдукции)
Рис. 1. Скорости смещений станций GPS Курильской сети после Симуширских землетрясений 2006-2007 гг. Положение и механизмы очагов Mw = 8.3, 15 ноября 2006, и Mw = 8.1, 13 января 2007, указаны по данным из каталога Global CMT Черными стрелками обозначены осредненные вектора за период 2007.5-2008.5, белыми стрелками - за период 2008.5-2009.5.
ной окраины. В то же время, на пунктах, расположенных вблизи очага, постсейсмические скорости существенно отклоняются от указанного доминирующего направления: на островах Кетой (КЕТС), Матуа (МАТС), Харимкотан (КНАМ) — в противоположную сторону, а на острове Уруп (URUP) — в перпендикулярном направлении (рис. 1). При этом величина постсейсмической аномалии для ближайших к очагам пунктов КЕТС, МАТС, КНАМ, тиР убывает со временем: как видно из рис.1, вектора скоростей этих пунктов, осредненные за период 2008.5—2009.5 меньше по величине векторов, осред-ненных за 2007.5—2008.5. Таким образом, в районе очага 2006 г. наблюдается переходный постсейсми-
ческий процесс, который по продолжительности и простиранию, скорее всего, вызван вязкой реакцией верхней мантии на погрузившуюся часть слэба. Постсейсмическое скольжение вдоль сейсмического разрыва в данном случае не может служить удовлетворительным объяснением столь продолжительного процесса, а выравнивание порового давления не может затрагивать территорию в несколько сотен километров. Кроме того, наблюдаемая зависимость постсейсмических смещений во времени достаточно близко описывается экспоненциальным затуханием, которое вытекает из численного моделирования этого процесса (рис. 2).
мм 70 60 50 40 30 20 10
(а)
мм
(б)
КЕТС: Сев. смещение
2007.6 2007.8 2008.0 2008.2 2008.4 2008.6 2007.6 2007.8 2008.0 2008.2 2008.4 2008.6
■ — экспериментальные данные — — резульат моделирования
Рис. 2. Временные ряды смещений станций КЕТС (о. Кетой) и МАТС (о. Матуа): (а) восточная компонента КЕТС; (б) северная компонента КЕТС; (в) восточная компонента МАТС; (г) северная компонента МАТС. Точками обозначены измеренные смещения, сплошная линия — модельное смещение.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСТСЕЙСМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
В наиболее общем виде, поле кумулятивных вяз-коупругих постсейсмических смещений можно представить в виде свертки:
и (г, t) = ЦС (г, г,, I - I,)и (г, )УБ,
(1)
где в (г, г,, ^ -1,,) — функции отклика среды в точке г в момент времени ? на точечную мгновенную дислокацию и (г,) Н ^ - ts) в точке г, в момент времени ts, и (г,) — вектор дислокации, распределенный по поверхности Б, Н ^ - ts) — единичная ступенчатая функция времени. Один из методов построения функций отклика в (г, г,, t - ts) описан в [РоД^, 1997], где для сферически симметричной слоистой вязкоупругой модели предложено разложение в ряд по сферическим функциям, и приведены соотношения для источника дислокации в виде равномерной
подвижки по разрыву прямоугольной формы. Используя методику и соответствующие программные коды УКСОШ [РоД^, 1997] и учитывая линейность оператора свертки в (1), для произвольно распределенной неоднородной подвижки и (г,) по произвольной поверхности искомое кумулятивное смещение и(г, г) можно аппроксимировать конечной суммой смещений, вызванных набором однородных подвижек по конечному набору пограничных элементов, составляющих исходную произвольную поверхность. В целом, для вычисления свертки (1) необходимо задать модель среды и распределение подвижки в очаге. Мы использовали модель сферической слоистой Земли с упругой литосферой и с вязкоупругой астеносферой в виде среды Бюргерса, включающей в себя как вязкость по Максвеллу, так и вязкость по Кельвину. Подобная реология астеносферы позволяет моделировать как кратковременные (продолжительностью до 6 месяцев после события), так и длиннопериодные (годы или десятилетия после события) вязкие эффекты. В качестве распре-
Б
деления подвижки в очаге принято полученное ранее решение обратной задачи по сейсмическим смещениям во время Симуширских землетрясений 2006-2007 гг. [Стеблов и др., 2010; 81еЪ1оу йа1., 2008]. Расчеты с принятыми априорными значениями параметров среды и очага показали качественное соответствие рассматриваемой модели и наблюдаемых смещений. При этом заложенные в модель априорные параметры можно уточнить путем решения соответствующей обратной задачи, уменьшив тем самым невязку наблюдений с моделью.
Одним из наиболее трудно определяемых реологических параметров Земли является вязкость астеносферы. Так как эта величина входит в число определяющих функцию Грина в (1), задача оценки Максвелловской вязкости астеносферы формулируется следующим образом:
min
П1
JJg(, Г;, T„ti - ts)U(r)dS - u(; t)
(2)
где минимизация среднеквадратической невязки по параметру п осуществляется по временному ряду измерений и (г,, ti) в момент времени ti по всем станциям с координатами г,. С использованием описанной выше методологии вычисления свертки (1) через конечные суммы, задача (2) решается с помощью существующих пакетов, реализующих алгоритмы нелинейного программирования.
Оценка вязкости п1 производилась по измерениям на двух станциях сети — МАТС и КЕТС, на которых постсейсмические эффекты проявились наиболее заметно. В качестве измерений иоЬ, (г,, ti) были использованы измерения на этих двух пунктах за период 2007.6 — 2008.6. Получившаяся в результате оценка Максвелловской вязкости астеносферы для срединной части Курильской дуги составила ~ 3 х х 1017 Па с, что хорошо согласуется с интервалом значений [2—5] х 1017 Па с для этого региона по другим источникам. Эта величина достаточно мала по сравнению с априорным значением 1 х 1019 Па с, что позволяет характеризовать
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.