ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 2, с. 21-36
УДК 550.344.33
СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ ЗЕМЛИ, ВОЗБУЖДЕННЫЕ ТРЕМЯ КРУПНЕЙШИМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ ПОСЛЕДНЕГО ДЕСЯТИЛЕТИЯ, ПО ДЕФОРМАЦИОННЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ © 2015 г. В. К. Милюков, М. П. Виноградов, А. П. Миронов, А. В. Мясников, Н. А. Перелыгин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга (ГАИШМГУ), г. Москва
E-mail: milyukov@sai.msu.ru Поступила в редакцию 06.11.2013 г.
По деформационным данным, полученным с помощью Баксанского лазерного интерферометра — де-формографа, выполнен анализ собственных колебаний Земли, возбужденных тремя крупнейшими землетрясениями последнего десятилетия. Это землетрясения в Индийском океане (Суматра—Анда-ман) 2004 г., в Чили 2010 г. и в Японии 2011 г. Изучена спектрально-временная структура собственных колебаний, особенности взаимодействия мод с близкими частотами (кросс-каплинг эффект). Исследован вопрос соответствия наблюдаемых мод СКЗ модельным значениям (модель PREM) для каждого из трех землетрясений. Обнаружено уверенное систематическое смещение в сторону больших частот для тороидальных мод c угловым номером l = 12-19. Максимальная плотность энергии тороидальных колебаний сосредоточена в верхней мантии Земли. Поэтому обнаруженный эффект соответствует большей скорости распространения поперечных волн в верхней мантии, чем это дает модель PREM.
DOI: 10.7868/S0002333715010093
ВВЕДЕНИЕ
За последние 10 лет произошли три катастрофических землетрясения, два из которых входят в пятерку наиболее значительных землетрясений за всю историю наблюдений. Это землетрясения в Индийском океане 2004 г., в Чили 2010 г. и в Японии 2011 г.
Землетрясение 2004 г. в Индийском океане (известное как землетрясение региона Суматра— Андаман) произошло 26 декабря в 160 км от западного побережья Суматры, на глубине 30 км [Lay et al., 2005; Kanamori, 2006]. Магнитуда землетрясения по разным оценкам составила Mw 9.1—9.3 [Park et al., 2005; Stein, Okal, 2005]. Это третье по силе землетрясение за всю историю наблюдения. Землетрясение произошло в зоне субдукции Индийской и Бирманской тектонических плит и вызвано сдвигом протяженной области (около 1200 км) на 15 м вдоль зоны субдукции, в результате чего Индийская плита продвинулась под Бирманскую плиту. Сдвиг не был единовременным, а был разделен на две фазы в течение нескольких минут. Первая фаза сформировала разлом размерами примерно 400 на 100 км, расположенный на уровне 30 км под морским дном. Разлом формировался со скоростью около 3 км/с, начиная от побережья северной части Суматры в сторону северо-запада в течение около 100 секунд. Затем возникла пауза примерно в 100 секунд, после чего разлом продолжил формироваться на север в сто-
рону Андаманских и Никобарских островов [Am-mon et al., 2005; Banerjee et al., 2005; de Groot-Hed-lin, 2005; Ishii et al., 2005; Ni et al., 2005].
Землетрясение в Чили с магнитудой Mw 8.8 произошло 27 февраля 2010 года. Очаг землетрясения располагался в двух милях от побережья Чили на глубине 22 миль. Большинство чилийских землетрясений, в том числе самое мощное зарегистрированное землетрясение 1960 г. магнитудой Mw 9.5, происходят в зоне субдукции, где плита На-ска погружается под Южно-Американскую плиту, обуславливая подъем горного массива Анд. Две плиты сдвигаются со скоростью 75 мм/год. Землетрясение 2010 года произошло на границе тех же тектонических плит, несколько севернее места катастрофического землетрясения 1960 года [Bár-cena et al., 2010; Aliaga et al., 2011].
Наконец, катастрофическое японское землетрясение с магнитудой Mw 9.0 произошло 11 марта 2011 года. Эпицентр землетрясения находился в 70 км восточнее острова Хонсю, а гипоцентр находился на глубине 32 км в Тихом океане. Это сильнейшее землетрясения в Японии за все время наблюдения и пятое за историю сейсмических наблюдений в мире с 1900 г. Очаг землетрясения относится к зоне субдукции Тихоокеанской и Се-веро-Американской литосферных плит. Тихоокеанская плита движется со скоростью 83 мм/год в западном направлении относительно Североама-риканской и начинает опускаться под Японию в
Таблица 1. Три крупнейших землетрясения за последние 10 лет*
Дата и время Название землетрясения Тип** Широта Долгота Глубина, км Эпицентрическое расстояние (©) Азиимут (Ф) Магнитуда
26 декабря 2004 Great Andaman (Суматра) в 3.30 95.98 30 61.58 114.6 9.1
27 февраля 2010 Mauli, Chili (Чили) d -36.12 -72.90 22 131.03 255.4 8.8
11 марта 2011 Great Tohoku (Япония) © 38.30 142.37 29 71.05 55.1 9.0
* По данным и808.
** Схематично в виде т.н. "пляжного волейбольного мяча", демонстрирующего наличие отдельных компонент тензора сейсмического момента.
районе Японской впадины. На границе взаимодействия плит в первые 80 с начала формироваться разломная зона со скоростью 1.5 км/с, которая затем стала расширяться в юго-западном направлении со скоростью 2.5 км/с. Зона сдвига имела размеры приблизительно 150 км в ширину и 300 км в длину [Ашшоп й а1., 2011].
Основные параметры землетрясений приведены в табл. 1. Все три землетрясения имели незначительную и сравнимую друг с другом глубину залегания (от 20 до 30 км) и однотипный сдвиговый механизм очага землетрясения. Это значит, что все три события являются типичными землетрясениями, механизм которых обусловлен субдук-цией одной литосферной плиты под другую. Кроме характеристик землетрясения, информация о которых содержится в параметрах соответствующей модели тензора сейсмического момента, на регистрацию мод собственных колебаний Земли оказывает влияние конфигурация "источник-приемник", прежде всего — эпицентрическое расстояние и азимут (угол между направлением на север и на источник, рассчитываемый по часовой стрелке). Эти данные также приведены в табл. 1. Следует отметить, что землетрясения на Суматре и в Японии, при заметно отличающемся азимуте, имеют сравнимое эпицентрическое расстояние от места наблюдения (62° и 71°), в то время как землетрясение в Чили произошло практически вдвое дальше (131°) (рис. 1).
Гигантские землетрясения излучают механическую энергию, вызывающую сейсмические колебания, которые охватывают все Землю. В результате образуются стоячие волны — собственные колебания Земли (СКЗ). Существуют два типа мод СКЗ: сфероидальные и тороидальные моды (обозначаются соответственно, S и Т), каж-
дая из которых характеризуется частотой и добротностью, определяемыми внутренней структурой нашей планеты. Это подразумевает, что наблюдение СКЗ обеспечивает одно из наиболее важных крупномасштабных ограничений на возможности изменения упругих параметров, затухания и плотности интерьера Земли [Gilbert, Dziewonski, 1975]. Также считается, что низкочастотные моды СКЗ могут дать дополнительные ограничения на энергию, геометрию и продолжительность источников больших землетрясений [Park et al., 2005; Stein, Okal, 2005].
Насчитывается более тысячи мод СКЗ, которые могут быть выделены после сильных землетрясений. Обычно из наблюдений определяются вырожденные значения собственных частот. В действительности, вследствие вращения и несферичности реальной Земли, каждая наблюдаемая сфероидальная nSl и тороидальная nTl мода является мультиплетом и распадается на 21 + 1 синглет (l обозначает номер колебания, n — номер обертона). Результатом является так называемое расщепление, с частотами компонент близкими друг другу. Синглет обозначается верхним правым индексом m (азимутальный номер) соответственно,
rjim
nSl и nTl .
В принципе, моды СКЗ можно наблюдать по записям различных инструментов: сверхпроводящих гравиметров, широкополосных сейсмометров, стрейнметров, наклономеров, стационарных GPS-станций. Реальная запись землетрясения осложнена шумами различного происхождения: сейсмическими, инструментальными и пр. Кроме того, само землетрясение является, как правило, сложным событием. В этом случае временная запись содержит не только отклик Земли на одиночное импульсное воздействие, но также на се-
-180° -120° -60° 0° 60° 120° 180°
Рис. 1. Геометрия "источник-приемник" для рассматриваемых землетрясений: показаны "большие дуги" от эпицентров до точки расположения Баксанского деформографа.
рию афтершоков, сопровождающих главный толчок. Интерференция между близкими модами (по частоте) создает дополнительные трудности в оценке частот и добротностей отдельных мод. В силу этих причин, идентификация мод СКЗ не всегда однозначна и требует тонкой аналитической техники.
Собственные колебания Земли с периодами T > 1000 с наблюдались только после очень сильных землетрясений. Спектральный анализ данных как сверхпроводящих гравиметров, так и широкополосных сейсмометров землетрясения на Суматре демонстрирует низкочастотные моды Земли с очень высоким отношением сигнал\шум [Park et al., 2005; Rosat et al., 2005; Park et al., 2008; Xu et al., 2008; Hu et al., 2009]. Низкочастотные моды, а также их расщепление были получены по записям Чилийского землетрясения сейсмическими станциями сети GSN (Global Seismograph Network) [Tanimoto, Ji, 2010; Deuss et al., 2011]. Регистрация Японского землетрясения кольцевым лазерным интерферометром, который чувствителен к вращательным движениям земной поверхности, позволил выделить низкочастотные тороидальные моды собственных колебаний [Heiner et al., 2011]. Совсем недавно появилась работа, в которой были проанализированы записи все трех землетрясений глобальной сетью сверхпроводящих гравиметров под эгидой Глобального геодинамического проекта (GGP) с целью оценки параметров тонкой структуры фундаменталь-
ной сфероидальной моды 0 S2. Оценки частот и добротностей синглетов были получены по записям десяти гравиметров для землетрясения на Суматре 2004 г., трех гравиметров для Чилийского землетрясения 2010 г., и семи гравиметров для Японского землетрясения [Hafner, Widmer-Schnidrig, 2013].
Цель данной работы — выделение и оценка параметров мод собственных колебаний Земли, возбужденных сильнейшими землетрясениями последнего десятилетия, по данным прецизионного лазерного интерферометра-деформографа 1АИШ МГУ, установленного в подземной обс
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.