ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2007, № 4, с. 48-57
УДК 550.344
ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТНОГО СТРОЕНИЯ ОЧАГОВОЙ ОБЛАСТИ КРОНОЦКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ 05 ДЕКАБРЯ 1997 г.
(М = 7.8, КАМЧАТКА)
© 2007 г. Л. Б. Славина1, Н. Б. Пивоварова1, В. И. Левина2
1Институт физики Земли РАН, М.: 123995 2Камчатская опытно-методическая сейсмическая партия ГС РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006
Поступила в редакцию 28.11.2006 г.
Целью настоящей работы являлось восстановление и изучение трехмерного скоростного строения очаговой области сильного землетрясения. Объектом исследования явилась очаговая зона сильнейшего Кроноцкого землетрясения, произошедшего на Камчатке 05 декабря 1997 г. (М№ = 7.8). Этому землетрясению предшествовал форшоковый рой землетрясений (03-05 декабря 1997 г.). Оно также сопровождалось длительной афтершоковой активностью. Исследовано поле скорости УР в различные временные периоды: 03-07 декабря 1997 г. (в эти дни произошли основные события: форшоки, главный толчок и его сильнейшие афтершоки) и в последующие периоды затухания афтершоковой активности до декабря 1998 г. Поле скоростей в очаговой зоне оказалось неоднородным. Выделены три участка: северо-восточный - область главного толчка и форшоков, центральный и юго-западный, отличающиеся не только по характеру сейсмической активности, но и по значениям поля скоростей. Обнаружена также динамика скоростного поля Р-волн в выделенные периоды. В областях форшоков и сильных афтершоков в декабре 1997 г. скорость Р-волн оказалась ниже стандартных значений, в дальнейшем скорость возрастала. Результаты расчетов поля скоростей могут свидетельствовать об отсутствии единой очаговой зоны, т.е. единого разрыва, а главный толчок и его сильнейшие два афтершока, произошедшие на юго-западе, вполне вероятно, являются независимыми событиями, произошедшими на поперечном разрыве в процессе перераспределения напряжений после главного толчка.
ВВЕДЕНИЕ
Оценка состояния среды в очаговой зоне сильного землетрясения перед главным толчком и сразу после него, в период развития афтершоко-вого процесса, а также восстановление состояния среды после окончания афтершоков - безусловно важная и мало изученная проблема. Большей частью этот вопрос исследовался на образцах. Но в лабораторных условиях после прохождения магистрального разрыва оценка скорости весьма трудна. Из исследований очаговых зон сильных землетрясений следует упомянуть работу С.С. Арефьева [1]. Оценки поля скоростей делались по методике сейсмической томографии. Нами впервые предпринята попытка восстановления поля скорости внутри очаговой зоны по временам пробега Р и ^-волн от афтершоков, зарегистрированных сейсмической сетью региона. Преимущества этого метода изложены в [5-10, 13] и будут обсуждены ниже.
Исходными данными являлись результаты регистрации и обработки сейсмологических данных телеметрической сетью Камчатской опытно-методической партии ГС РАН (КОМСП). Параметры гипоцентров рассчитаны в КОМСП по единой
методике. Корректировке исходные данные не подвергались.
5 декабря 1997 г. в 11 ч 26 мин у Тихоокеанского побережья Камчатки вблизи Кроноцкого полуострова произошло самое сильное в этом районе за время детальных сейсмологических наблюдений (1961-1997 гг.) землетрясение класса К = = 15.5 (магнитуда Мж = 7.8). Форшоковая роевая активность началась 3 декабря в северо-восточной части очаговой зоны будущего главного толчка.
Главный толчок с Мж = 7.8 произошел через 46 ч после начала роевой форшоковой активности, несколько южнее ее, на глубине 10 км. Инструментальный эпицентр определен по 28 фазам Р-волн и по 3-м фазам ^-волн, зарегистрированных региональной сетью телеметрических и аналоговых сейсмических станций КОМСП [3].
Афтершоковая активность началась сразу же после главного события и распространилась на глубины 1-50 км. Очаговую область в плане описывают эллипсом (140 ■ 220 км), располагающимся вдоль фокальной зоны (азимут 37°). Центр эллипса имеет координаты ф = 54.15° N X = 162.1° Е [3].
Из рисунков, приведенных в [3], отчетливо видно мозаичное, неравномерное распределение
афтершоков в очаговой зоне, относительно низкое заполнение эпицентрами центральной части очаговой зоны и сгущения эпицентров СЗ простирания. Развитие процесса в очаге, по мнению авторов [3], связано с активизацией тектонических структур как СВ-ЮЗ, так и СЗ-ЮВ направлений. Во время развития очага Кроноцкого землетрясения произошла сильная активизация разломов в юго-западной части очаговой области.
Реконструкция распространения разрыва в очаге главного толчка, проведенная путем инверсии широкополосных записей Р-волн, полученных мировой сетью станций, позволяет ассоциировать зоны сгущения афтершоков с зонами неоднородно-стей, разрушенными в процессе землетрясения. ЮЗ зона неоднородностей с величиной средней подвижки до 90 см характеризуется повышенной активностью афтершоков. В то же время в СВ зоне неоднородностей с более высокой величиной подвижки (до 240 см) афтершоковая активность была существенно более низкой [3].
В настоящей работе авторы попытались восстановить скоростное поле Р-волн в рассматриваемой зоне форшоков и афтершоков Кроноцкого землетрясения, используя методику обратимой волны [5]. Данная методика позволяет определять скорости сейсмических волн внутри области сгущения очагов по данным времен пробега от группы очагов до ряда сейсмических станций региона.
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РАСЧЕТА
В основу применяемой методики расчета скорости продольных волн в трехмерной среде положен принцип обратимости волновых полей. Использование этого принципа позволяет рассматривать множество времен пробега сейсмической волны от слабых землетрясений до некоторой сейсмической станции как времена пробега обратимой волны от этой сейсмической станции до различных очагов в исследуемой области.
Проблема вычисления скорости распространения сейсмических волн в окрестности некоторой точки М0(х0, у0, г0) (очаг землетрясения) сводится к задаче восстановления фронта обратимой волны и скорости его распространения в некоторой области О около этой точки. Скорость сейсмических волн предполагается достаточно гладкой функцией, так чтобы в области G ее можно было считать постоянной.
Область G должна быть достаточно большой, чтобы в ней нашлось не менее 6 других очагов с временами пробега до данной станции. С другой стороны, она должна быть достаточно малой, чтобы можно было считать скорость распространения сейсмических волн в ней константой и ап-
проксимировать фронт обратимой волны плоскостью.
Основные особенности алгоритма следующие:
• скорость сейсмических волн определяется только в области очагов землетрясений;
• в расчетах используются только разности времен первых вступлений для группы очагов на фиксированной станции, что позволяет ослабить влияние особенности среды под станцией и на пути движения сейсмической волны;
• в расчетах используются только разности координат группы очагов, за счет этого уменьшается влияние систематических ошибок в координатах очагов.
В работе использовалась декартовая система координат с центром, совпадающим с центром эллипса облака афтершоков Кроноцкого землетрясения [3]. ф = 54.15° N X = 162.1° Е. Оси системы координат совпадают с осями эллипса афтершоков. Положительное направление оси ОХ - на северо-запад, оси OY - на юго-запад.
Существенным моментом всего алгоритма является выбор параметров области G, которые фиксируют размер пространственных неоднородностей рассчитываемого поля скоростей. В данной работе область усреднения G есть вертикальный полый цилиндр высотой 9 км и радиусами основания РтЬ = 5 км, Ртах = 10 км. В центре области G помещается точка М0.
ВЫДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЗОН И ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ
Всего в рассматриваемой очаговой зоне в декабре 1997 г. сотрудниками КОМСП определены координаты 1396 очагов землетрясений [3]. По этим данным, скорость продольных волн определена только для 1095 очагов. Из них наибольшее количество точек относится к полосе глубин 1535 км. Предварительное рассмотрение значений скорости продольных волн в этом слое выявило значительную неоднородность скорости вдоль рассматриваемой зоны.
Среднее значение скорости по всем рассмотренным точкам в этом слое глубин 15-35 км -6.23 км/с. Однако на северо-востоке значение средней скорости было заметно меньше. Нами выделено 3 области сгущения очагов, в которых определена скорость Р-волн, начиная с севера вдоль очаговой области Кроноцкого землетрясения:
область I - северо-восточная: -120 < У < -60 км область II - центральная: -60 < У < 10 км область III - юго-западная: 10 < У < 100 км
В табл. 1 приведено количество точек п, средние скорости У^ и их точность с(У,,г) для выделен-
Таблица 1. Количество точек, средние скорости У8Г и их точность о(У8Г) в слое 15-35 км за период 03.12.1997 г.-31.12.1997 г.
Область I Область II Область III
Количество 121 147 229
точек, n
Средняя скорость 6.05 6.34 6.25
Vsr, км/с
o(Vsr), км/с 0.06 0.05 0.04
ных областей за весь период 3-31 декабря 1997 г. в слое 15-35 км.
В дальнейшем все расчеты скоростей продольных волн для всех глубин проводились отдельно для каждой из трех областей. Это привело, конечно, к некоторому уменьшению числа точек, в которых была рассчитана скорость.
Так как главной задачей работы было выявление динамики скоростного поля в период разви-
тия сейсмического процесса Кроноцкого землетрясения, все данные были разделены по времени. Было выбрано три временных периода: 03.12.1997 г. - 07.12.1997 г., 08.12.1997 г. -20.12.1997 г., 21.12.1997 г. - 31.12.1998 г.
В табл. 2 приведены усредненные величины скорости Р-волн по рассмотренным временным интервалам для выделенных по глубине слоев. Видно, что сейсмический процесс был в значительной степени нестационарным, афтершоки неравномерно распределены по площади. На севере зоны основная сейсмичность сосредоточена на глубинах 5-35 км, причем за период 03.12.1997 г. -07.12.1997 г. скорость определена в 107 точках, а за период 08.12.1997 г. - 20.12.1997 г. - только в 20 точках. Во второй области, напротив, в первый период скорость определена тольк
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.