ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 10, с. 63-72
УДК 550.34
ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРА СЕЙСМИЧНОСТИ С ГЛУБИНОЙ: НОВЫЕ ЭМПИРИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
© 2004 г. М. В. Родкин
Геофизический центр РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.04.2004 г.
Совместное использование данных о гипоцентре и о сейсмическом моменте позволяет расширить набор параметров, характеризующих очаг землетрясения. По данным Гарвардского каталога проанализированы изменчивость параметров сейсмичности от глубины и характер взаимосвязи между этими параметрами в разных диапазонах глубины. Выявлен ряд новых эмпирических соотношений, и дается их интерпретация. Полученные результаты свидетельствуют в пользу тесной связи характера сейсмичности с глубинным флюидным режимом и процессами твердотельных превращений вещества земной коры и верхней мантии.
ВВЕДЕНИЕ
Трудами Михаила Александровича Садовского в современную геофизику были привнесены принципиально новые модельные представления о геофизической среде. Согласно этим представлениям, геофизическая среда полагается резко неоднородной и при этом иерархически структурированной и способной накапливать и диссипи-ровать энергию [Садовский и др., 1987; Садовский, 1989; Садовский, Писаренко, 1989; и др.]. М.А. Садовский с соавторами подчеркивали, что при формировании в геофизической среде неод-нородностей - жестких блоков и разделяющих блоки механически ослабленных прослоек, и при реализации подвижек вдоль таких прослоек, большую роль могут играть физико-химические и химические взаимодействия. На большую роль микроструктурных особенностей среды, проявляющуюся в изменениях ее прочности на макромасштабах указывают и результаты экспериментальных исследований [Соболев и др., 2001; и др.]. Однако, несмотря на понимание важности проблемы, характер зависимости сейсмичности от протекающих в недрах Земли физико-химических превращений не ясен; более того, дискуссионным остается сам факт существенного влияния физико-химических превращений на характер сейсмичности.
Землетрясения происходят на разных глубинах, в резко различных термодинамических условиях. Соответственно, различаются и протекающие в этих условиях физические и физико-химические процессы. Принято считать, однако, что характеристики реализующихся в разных условиях землетрясений различаются весьма слабо. Надежно установленными, по-видимому, могут считаться только две специфические особенности сейсмического режима, характерные для глубоких и для так называемых вулканических земле-
трясений. Для глубоких очагов выявлены повышенные значения кажущихся и сброшенных напряжений [Касахара, 1985 и др.]. Для землетрясений, связанных с зонами современного активного вулканизма (в частности, для землетрясений срединно-океанических хребтов) наблюдаются большие наклоны графика повторяемости и пониженные значения кажущихся и сброшенных напряжений [Друмя и др., 1990; Родкин, 2001; 2001а и др.].
Кроме процессов плавления, наиболее существенные изменения физических свойств вещества тектоносферы связаны с химическими и фазовыми превращениями. На настоящий момент, однако, не ясно, как влияют эти превращения на характер сейсмического процесса. Большинство сейсмологов склонны считать, что сейсмический процесс обусловливается почти исключительно механическими взаимодействиями и весьма слабо связан с предположительно крайне медленными процессами превращения вещества тектоносферы.
Ниже обсуждается изменчивость характера сейсмичности (включая ряд редко используемых параметров) с глубиной. Некоторые из выявленных корреляций являются артефактами (порожденными физическим смыслом или методиками расчета соответствующих параметров), но большая их часть, как представляется, не тривиальна, и характеризует природу сейсмического процесса. Анализ выявленных изменений позволяет заключить об их связи с характером глубинного флюидного режима и с процессами превращения вещества тектоносферы. Выявленные эмпирические корреляции интерпретируются в рамках фазо-во-флюидометаморфогенной (ФМ) модели сейсмо-генеза [Калинин и др., 1989; Родкин, 1993; Яоёкт, 1995].
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ И ПРОЦЕДУРА ОБРАБОТКИ
Наиболее существенные и легко интерпретируемые превращения вещества земных недр происходят с глубиной. Поэтому при исследовании влияния физико-химических превращений на характер сейсмичности естественно рассмотреть изменчивость характеристик землетрясений с глубиной. Анализу зависимости сейсмичности от глубины посвящено большое количество работ [Шебалин, 1968; Калинин, Родкин, 1985; Тао, 0'Соппе11, 1993; и др.]; однако накопление новых фактических данных и использование дополнительных характеристик землетрясений позволяет получить здесь новые результаты.
Для работы был использован мировой Гарвардский каталог сейсмических моментов, содержащий данные о 19 843 событиях за 1977-2003 годы. В Гарвардском каталоге приведен (или на основании имеющихся в нем данных может быть рассчитан) ряд параметров, позволяющих более полно описать очаг землетрясения. При этом каталог достаточно представителен в смысле наличия данных по разным интервалам глубины, и для разных сейсмотектонических условий. В настоящей работе рассчитывались: величина наклона графиков повторяемости в для магнитуд ть и сейсмических моментов М, значение кажущихся напряжений оа, различие глубины АН и времени событий Ат по данным о первых вступлениях и по результатам определения сейсмического момента, отношение магнитуд ть/т„, плотность числа событий р в зависимости от глубины.
Время и глубина гипоцентра характеризуют начало вспарывания очага; время и глубина землетрясения по решению сейсмического момента отвечают "центру тяжести" процесса излучения сейсмических волн. Отсюда видно, что время запаздывания Ат характеризует полу-продолжительность землетрясения, а разница значений глубины события АН характеризует полупротяженность очага по глубине и направление процесса вспарывания (вверх или вниз). Параметр ть/т„ характеризует относительное развитие в очаге высокочастотных колебаний (используемых при определении магнитуды ть) и низкочастотных, используемых для определения сейсмического момента М и магнитуды т„.
Учитывая постановку задачи - исследование зависимости параметров землетрясений от глубины - все землетрясения были рассортированы в порядке увеличения их глубины. Здесь и далее под глубиной Н понимается среднее между значением глубины, определенным по первым вступлениям и из решения сейсмического момента; такой выбор позволил уменьшить случайную погрешность в определении глубины землетрясения.
Значительной части землетрясений в Гарвардском каталоге приписано одно из 3-х типичных значений глубины. Для случая решения сейсмического момента такими аномально часто повторяющимися значениями являются глубины 10, 15 и 33 км. При определении глубины гипоцентра -это глубины 10 и 33 км. Аномально большое число событий с такими значениями глубины означает, что данной глубине приписаны землетрясения с относительно хуже определенными параметрами очага, не только события, отвечающие данной глубине, но и с близкими значениями глубины. Землетрясения с такими (неопределенными) значениями глубины были исключены из дальнейшего рассмотрения. При этом оказались отброшенными подавляющее большинство землетрясений зон срединно-океанических хребтов. Отброшенные землетрясения, в среднем, несколько слабее оставшихся. Оставшиеся после отбраковки 9576 событий в подавляющем большинстве отвечают континентальной (по большей части островодужной) тектонической обстановке и зонам субдукции.
Величина магнитуды mw определялась по данным о величине сейсмического момента M по стандартной формуле
mw = 2/3 lgM -10.7,
где величина M дана в дин.см. Значения кажущихся напряжений Ga рассчитывались по известной формуле [Abe, 1982]
Ga = ME/M, (1)
где м - модуль сдвига, ES - сейсмическая энергия, рассчитываемая стандартным образом [Соболев, 1993] по магнитуде mb. Значение модуля сдвига м полагалось зависящим от глубины в соответствии с моделью HB1 [Буллен, 1978].
Даже после отбраковки событий с предположительно хуже определенными характеристиками очага, разброс значений перечисленных выше интенсивных (предположительно не зависящих от магнитуды) параметров землетрясений для событий с близкими значениями глубины остался большим. Поэтому для дальнейшего анализа использовались средние значения параметров землетрясений для групп, составленных из 51 последующего (рассортированного в соответствии с ростом глубины) события, с шагом 25 событий; то есть анализируемые ниже последовательности точек (средних значений) через одну являются статистически независимыми.
Значения наклона графика повторяемости в для групп землетрясений в случае использования величин сейсмических моментов M оценивались методом максимального правдоподобия (метод Хилла) по формуле [Кузнецов и др., 1997]
в = [1/nL\n(Mi /А)}-1,
где п - число ранжированных по величие максимальных значений сейсмического момента (М1 > > М2 > М3 > ... > Мп). Величина А, учитывая неполную представительность каталога в области более слабых событий, полагалась равной А = М30, соответственно в формуле (2) имеем п = 30.
В соответствии с общими свойствами оценок максимального правдоподобия [Крамер, 1948] для
дисперсии оценки в из (2) имеем:
Уаг(в) = {Е(д 1п Ь/ЭР)}2 = в2/п. (3)
Для оценки наклона графика повторяемости по значениям магнитуд ть использовался метод наименьших квадратов; при этом ограничение на количество используемых при расчете сильнейших событий было тем же, п = 30.
Достоверность получаемых оценок контролировалась как аналитически, например, на основе соотношения (3), так и численно, бутстреп-мето-дом [Эфрон, 1988]. На ряде представленных ниже рисунков, с целью лучшего визуального восприятия зависимости исследуемых параметров от глубины, проведено усреднение по трем соседним точкам; влияние такого сглаживания на оценку значимости получаемых результатов невелико.
100
10
1-1
10
>-2
V* ч
•••
200
400
600
H, км
Рис. 1. Зависимость плотности числа событий в Гарвардском каталоге от глубины (для групп по 51 событию). Из
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.