УДК 531:550.3
СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА В ПЕТРОПАВЛОВСКЕ-КАМЧАТСКОМ
ПО ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ ДАННЫМ
© 2012 г. В. М. Ившин, Е. В. Ившина1
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: ivt@kscnet.ru 1 ООО "Газпром ВНИИГАЗ" 142717Московская обл., Ленинский р-н, п. Развилка, e-mail: E_Ivshina@vniigaz.gazprom.ru Поступила в редакцию 23.10.2010 г.
Обсуждаются результаты наблюдений за изменением тектонических сил в вулканическом поясе Камчатки в районе Авачинского залива с помощью геомеханического датчика. На основании этого делается оценка сейсмической опасности в Петропавловске-Камчатском.
ВВЕДЕНИЕ
Многолетние временные ряды, полученные с помощью геомеханического датчика, созданного в скальном массиве на территории г. Петропавловск-Камчатский, в статьях [Ившин, Ившина, 2005, 2009, 2010] рассматриваются на основе представлений об изгибе фронтальной части Курило-Камчатской дуги на вулканическом поясе как на упругом основании. В настоящей работе при анализе годографа тех же рядов учитывается не только изгиб фронтальной части дуги, но и ее кручение.
ИЗГИБ И КРУЧЕНИЕ ОСТРОВНОЙ ПРИЗМЫ
Геофизические исследования строения вулканов показали, что под ними существуют локальные неоднородности, отличающиеся от вмещающей среды пониженными скоростями сейсмических волн. Протяженность по вертикали этих аномальных тел достигает ста километров, а горизонтальные размеры варьируют от нескольких километров до первых десятков километров [Фарберов, 1974]. Поскольку расстояние между соседними вулканами равно всего нескольким десяткам километров, локальные неоднородности делают вулканический пояс с его глубинными корнями протяженным упругим геологическим телом. Вследствие этого островная призма — фронтальная часть островной дуги (рис. 1) — под нагрузкой океанской плиты перед сильным землетрясением в сейсмофокальной зоне как протяженное жесткое геологическое тело должна изгибаться на вулканическом поясе так же, как изгибается длинная балка на упругом основании под действием поперечной силы.
В работе [Тимошенко, 1965] анализируется изгиб на упругом основании бесконечно длинной вдоль оси X балки под действием сосредоточенной силы Р, приложенной в точке х = 0. В ней доказывается, что если упругое основание оказывает сопротивление как сжатию, так и растяжению, то изгиб балки удовлетворяет уравнению:
EjdUl = -ky, dx
(1)
где у — прогиб, Е — модуль упругости, / — момент инерции поперечного сечения балки, к — коэффициент упругого основания.
Когда х > 0, решение уравнения (1) дает следующее выражение для прогиба:
Рв -вх (
y = e ( cos px + sin px), 2k
где
в = 4 —.
H 4 EJ
(2)
(3)
Если х < 0, решение уравнения (1) симметрично (2).
Из соотношения (2) следует, что при изгибе балка приобретает волнообразную форму. С удалением от точки х = 0 прогиб балки постепенно
уменьшается. В интервале 0 < х < Зв балка прогибается в направлении силы, а в интервале
3 я 7 я
— < х < — — в противоположном направлении.
4 р 4 р
На основании этого можно утверждать, что в процессе подготовки сильного землетрясения в сейсмофокальной зоне в районе очага землетрясения островная призма под нагрузкой океанской пли-
67
5*
164
56 168
160
156
56
152
52 148
ш 1
ив 2
3
*Ц 4
* 5
А 6
ш 7
0 8
0 9
--- 10
11
--- 12
168
52 164
160
48
156
44
152
Рис. 1. Карта-схема района геомеханических наблюдений.
1 — островная призма; 2 — океанская плита; 3 — усилия сдвига между океанской плитой и островной призмой; 4 — вулканический пояс; 5 — глубоководный желоб;
6 — геомеханический датчик в Петропавловске-Кам-чатском; 7 — эпицентр землетрясения в Авачинском заливе 2 марта 1992 г. с М = 7.1; 8 — очаг Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997 г. с М = 7.8; 9 — очаг Си-муширского землетрясения 15 ноября 2006 г. с М = = 8.3; 10 — ось Курило-Камчатского вулканического пояса; 11 — примерные границы Курило-Камчатско-го вулканического пояса; 12 — ось глубоководного желоба.
Максимальный прогиб островной призмы под нагрузкой океанской плиты перед сильным землетрясением в первом приближении можно оценить величиной
У =
Рв
2к 3 1 2 к4 ( 4 ЕТ)4
Силу Р запишем в виде
Р = т Б,
(4)
(5)
где т — касательное напряжение, создаваемое нагрузкой океанской плиты в очаге назревающего землетрясения, Б — площадь сцепления между островной призмой и океанской плитой, зависящая от размера очага землетрясения.
Подставляя (5) в (4), окончательно получим:
тБ
У=
(6)
142
ты прогибается в сторону вулканического пояса, а на удалениях от очага вдоль островной призмы — в сторону океана. При прогибе островной призмы в сторону вулканического пояса в нем возникает область сжатия, а при прогибе в сторону океана — области растяжения.
3 1
2 к ( 4 ЕТ)4
Соотношение (6) показывает, что максимальный прогиб островной призмы увеличивается с ростом напряжения в очаге будущего землетрясения. Так как океанская плита в реальном времени движется примерно с постоянной скоростью, а прочность литосферы увеличивается с глубиной, то продолжительность роста напряжения в очаге до предела прочности и, следовательно, прогиба островной призмы до максимальной величины зависят от глубины очага. Перед землетрясением с очагом, расположенным около глубоководного желоба, прогиб достигает максимума значительно быстрее, чем перед землетрясением той же магнитуды с очагом, расположенным вблизи вулканического пояса. Когда напряжение в очаге достигает предела прочности, начинается его квазипластическое разрушение. С этого момента прогиб островной призмы до землетрясения постепенно уменьшается [Гзовский, 1975]. При этом очевидно, что продолжительность уменьшения прогиба будет зависеть от глубины так же, как продолжительность его роста.
Если при землетрясении происходит взброс по границе между островной призмой и океанской
СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА В ПЕТРОПАВЛОВСКЕ-КАМЧАТСКОМ
69
плитой со смещением в направлении к океану, то нагрузка океанской плиты с островной призмы снимается и последняя мгновенно оказывается только под действием упруго сжатого вулканического пояса. Резко приложенная сила, как известно, вызывает перемещение, которое в два раза превышает перемещение, создаваемое той же силой при постепенном ее приложении [Тимошенко, 1960]. Значит, под действием вулканического пояса островная призма во время землетрясения надвигается на океанскую плиту. После землетрясения из-за сцепления с океанской плитой она вернуться в нейтральное положение не может и начинает изгибаться на вулканическом поясе как на упругом основании. В окрестности надвига призма прогибается в сторону океана, а на удалении от него — в сторону вулканического пояса. Прогиб к океану создает в вулканическом поясе область растяжения, а прогибы к вулканическому поясу — области сжатия.
Поперечное сечение островной призмы не имеет осей симметрии. Поэтому ее изгиб всегда сопровождается кручением. После землетрясения на участке прогиба призмы в сторону океана кручение направлено к вулканическому поясу и увеличивает трение призмы с океанской плитой на большой глубине, а на участках прогиба призмы в сторону вулканического пояса кручение направлено к океану и увеличивает трение призмы с океанской плитой на малой глубине.
РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ
НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ИЗМЕНЕНИЕМ ТЕКТОНИЧЕСКИХ СИЛ
Из сказанного выше следует, что наблюдение за изменением тектонических сил в сейсмофо-кальной зоне Курило-Камчатской дуги целесообразно вести в ее вулканическом поясе. Именно поэтому для выполнения указанных наблюдений геомеханический датчик был создан в скальном массиве в Петропавловске-Камчатском (см. рис. 1). Датчик представляет собой прочно связанную со средой на глубине 50 м вертикальную гильзу длиной 2 м, в которой для преобразования механического сигнала в электрический закреплен скважинный наклономер модели НИВ-1 [Ившин, 1993]. Под действием веса вышележащих пород верхняя часть датчика относительно основания линейно смещается (если не учитывать влияние атмосферных и гидросферных воздействий) примерно на ЮВ. При сжатии вулканического пояса, которое вызывает заметное уменьшение объема (увеличение давления), верхняя часть датчика смещается на ЮЗ, а при растяжении, увеличивающим объем (уменьшающим давление), — на СВ. Сжатие вулканического пояса практически без изменения объема (без изменения давления) приводит к смещению верхней
части датчика на СЗ, а такое же растяжение — на ЮВ. Наблюдения на геомеханическом датчике начались осенью 1990 г. На рис. 2 приведен годограф полученных временных рядов. Рассмотрим его, опираясь на представления об изгибе и кручении Курило-Камчатской призмы.
Во время наблюдений, а именно 2 марта 1992 г., на расстоянии примерно 110 км от Петропавловска-Камчатского в Авачинском заливе произошло землетрясение с М = 7.1 (см. рис. 1). Очаг землетрясения занимал диапазон глубин от 10 до 40 км. В вертикальной плоскости очаг имел эл-липсообразную форму, большая ось которой наклонена на восток. В горизонтальной плоскости очаг также имел эллипсообразную форму с осями 25 км и 20 км. В очаге была отмечена взбросовая подвижка по поверхности, падающей под полуостров Камчатка [Зобин и др., 1996]. До момента землетрясения, как видно на рис. 2, верхняя часть геомеханического датчика сначала смещалась на ЮЗ, а затем на СВ. Это означает, что перед Ава-чинским землетрясением на территории г. Петропавловск-Камчатский происходило изменение давления, которое могло быть обусловлено только прогибом Курило-Камчатской призмы под нагрузкой Тихоокеанской плиты в сторону вулканического пояса. Характер изменения давления говорит о том, что нагрузка океанской плиты сначала постепенно нарастала, а затем, достигнув незадолго до землетрясения наибольшей величины, начала снижаться. Следовательно, геомеханическим датчиком перед Авачинским землетрясением было зафиксировано квазипластическое разрушение в сейсмофокальной зоне. Если сдвиговые напряжения в ней обусловлены только движением океанской плиты, то с наступлением квазипластического разрушения землетрясение становится неизбежным. Поэтому наблюдение с помощью геом
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.