ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 2, с. 124-140
УДК 550.348.43
ИЗМЕНЕНИЯ С ГЛУБИНОЙ ПАРАМЕТРА b-VALUE В МАГНИТУДНО-ЧАСТОТНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ГАРМСКОГО РАЙОНА (ТАДЖИКИСТАН)
© 2014 г. Г. А. Попандопуло1, 2, А. А. Лукк1
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: lukk@ifz.ru
2Earthquake Planning and Protection Organization, Seismotect. Div. Athens, Greec E-mail: gpopandopoulos@mail.ru Поступила в редакцию 03.06.2013 г.
Проведены детальные исследования изменений с глубиной значений параметра b (наклона линейной части распределения Гуттенберга—Рихтера) и плотности чисел землетрясений в различных маг-нитудных диапазонах (M > 1.8, M > 3.0, M > 3.5) по данным детальных высокоточных сейсмологических наблюдений на Гармском прогностическом полигоне в Таджикистане в период с 1955 по 1991 гг. Установлено, что наблюдаемые изменения величины b определяются вариациями соотношения чисел слабых и сильных землетрясений. Выделены два горизонта в земной коре выше и ниже 15—16 км с различными характеристиками величины b. В верхнем горизонте среднее значение величины b близко к 0.8, а в нижнем — к 1.2. В нижнем горизонте практически отсутствуют относительно сильные землетрясения с M> 3.0. Наблюдаемые изменения величины b с глубиной могут быть следствием увеличения прочностных характеристик материала земной коры под воздействием роста температуры и стесняющего давления в интервале 0—15 км. Переходная область между верхним и нижним горизонтами в земной коре (~13—18 км), характеризующаяся резким ослаблением уровня сейсмичности, может быть связана с предполагаемой рядом авторов зоной фазового перехода от упруго-хрупкого к пластичному состоянию материала земной коры. Как правило, к кровле этой зоны приурочиваются гипоцентры сильнейших для данной территории землетрясений. Установлена связь между областями пониженных значений параметра b в земной коре и расположением сильнейших для данной территории землетрясений. Предполагается, что трехмерное картирование параметра b может способствовать оценке места, глубины и максимальной магнитуды возможных сильных событий в сейсмоактивных регионах и использоваться при оценке сейсмического риска.
Б01: 10.7868/80002333714020070
1. ВВЕДЕНИЕ
Фундаментальная статистика в распределении чисел землетрясений по их магнитудам описывается законом Гутенберга—Рихтера [1944]
ЧгММ = а — ЬМ, (1)
где N — это общее количество землетрясений с магнитудами М (или > М для кумулятивного числа землетрясений), а коэффициенты а и Ь — константы. Параметр "а" в выражении (1) соответствует сейсмической активности оцениваемого объема, а "Ь" это обратный наклон линейной части распределения Гутенберга—Рихтера (ГР) в двойном логарифмическом масштабе (поскольку М это тоже логарифмическая величина), так называемая величина "Ь-уаШв" (в англоязычной литературе). Эта характеристика отражает относительную долю количества крупных и малых землетрясений в заданном интервале времени для данного региона.
Поскольку характеристика b-value часто интерпретируется как показатель неоднородности материала среды (например, [Mogi, 1962]) или приложенных касательных напряжений [Scholz, 1968; Main et al., 1992; Mori and Abercrombie, 1997; Schorlemmer et al., 2005; Singh and Chadha, 2010], важный вопрос заключается в том, существуют ли значимые пространственные, глубинные и временные вариации b-value. Так, например, ожидается, что значения b-value должны уменьшаться с глубиной. Это ожидание исходит из того, что с глубиной возрастает литостатическое давление, в результате чего уменьшается естественная тре-щиноватость горных пород. Вследствие этого изменяется соотношение между слабыми и относительно сильными землетрясениями в распределении (1) в сторону уменьшения относительного числа слабейших землетрясений (за счет количественного уменьшения мелкой трещиноватости), сопровождаемого уменьшением значения b-val-
ue. Поэтому к изучению реального распределения значений b-value (в дальнейшем просто b) с глубиной прикован интерес многочисленных исследователей в сейсмологии.
Изменения параметра b с глубиной изучали еще Б. Гутенберг с Ч. Рихтером [Gutenberg and Richter, 1944]. Они обнаружили скорее обратную закономерность. Ими было установлено, что значения b составляют 0.90 ± 0.02, 1.2 ± 0.2 и 1.2 ± 0.2 для мелких, промежуточных и глубоких землетрясений, соответственно. Более поздние исследователи этой проблемы [Evernden, 1970; Eaton etal., 1970; Wyss, 1973; Curtis, 1973] показали, что увеличение давления с глубиной в целом приводит к снижению величины b с глубиной. Еще более поздние исследования изменений b с глубиной в Калифорнии [Mori and Abercrombie, 1997], казалось бы, достоверно обнаружили систематическое уменьшение b по мере увеличения глубины землетрясений. Во всяком случае, расчетные значения b для верхнего (0—3 км) и нижнего (12— 15 км) горизонтов глубин, составлявшие соответственно b =1.29 ± 0.01 и b = 0.97 ± 0.02, значимо различались между собой. Чтобы объяснить свои результаты, они постулировали, что из-за высокой гетерогенности материала и низких литоста-тических напряжений в неглубокой коре (0—6 км) инициализация разрушения с большей степенью вероятности прекращается перед надвигающимся крупным землетрясением, заменяясь многочисленными слабыми землетрясениями. В результате отмечается возрастание значений b. Напротив, однажды возникший разрыв в более однородном поле напряжений на большей глубине, имеет меньшую вероятность остановиться, поэтому в результате мы получаем относительно меньшее количество слабых землетрясений на этих глубинах по сравнению с приповерхностными, и наоборот в отношении сильных событий. То есть, на больших глубинах значения b должны уменьшаться.
Идея о том, что значения b должны быть значительно выше в приповерхностной части коры по сравнению с ее нижней частью тщательно проверялась в работе [Gerstenberger et al., 2001]. Авторы картировали отношение величины b для неглубоких землетрясений к глубоким в Калифорнии и тестировали полученные образы, чтобы увидеть, есть ли значимая разница между ними на уровне 99 процентов. Их испытания были проведены по данным Северной и Южной Калифорнии. Для Южной Калифорнии они использовали высококачественные переопределенные данные о землетрясениях с марта 1981 г. по февраль 1998. Изучаемые ими области были поделены сеткой с расстоянием между узлами в 5 км, использовались цилиндрические выборки с радиусом менее 40 км, содержащие по 1000 землетрясений с центрами в этих узлах. Осуществлялось разделение по глубине на два горизонта от 0 до 5 км для верх-
него и от 8 до 15 км для нижнего. В результате они пришли к выводу, что общей тенденцией является снижение величины b с глубиной в интервале глубин 0—15 км, что согласовывалось с результатами работы [Mori and Abercrombie, 1997].
Китайские сейсмологи Чжу и др. [Zhu et al., 2005] исследовали вариации b с глубиной в районе Пекина. Результаты показывают, что значения b уменьшаются с увеличением гипоцентральной глубины систематически. Драматическое уменьшение b наблюдалось вблизи глубины 8 км. Авторы вслед за [Mori and Abercrombie, 1997] полагают, что более слабые землетрясения происходят в основном на малых глубинах (0—8 км), в то время как более крупные землетрясения происходят на большей глубине (8—25 км). Последнее и приводит к наблюдению резкого падения b на глубине около 8 км. Физический механизм, стоящий за этим явлением, предложенный [Mori and Abercrombie, 1997] описан выше. Авторы работы [Zhu et al., 2005] считают, что будущие сильные землетрясения в окрестности Пекина могут происходить именно на глубине 8 км и более.
Ситуация, подобная описанным результатам наблюдений в [Zhu et al., 2005], была обнаружена в районе Койна-Варна в Индии в работе [Singh and Chadha, 2010], где наблюдалось систематическое снижение b до 8 км, сменяясь затем увеличением b с глубиной. Понижение значений b трактовалось также с позиций работы [Mori and Abercrombie, 1997]. Согласно этим представлениям область низких значений b на глубине 8 км указывает на локализацию высоких напряжений, которые благоприятны для будущего разрыва. Последующее увеличение b интерпретировалось с точки зрения присутствия жидкости в коре.
Вместе с тем, в [Gerstenberger et al., 2001] было высказано предположение, что значения вычисляемой величины отношения меньшие 1.0 могут просто представлять собой случайные колебания b. За исключением единичного четкого эффекта в районе Санта Паула, где низкие значения b четко наблюдались в интервале глубин 8—15 км, авторами не было обнаружено твердых доказательств снижения значений b с глубиной в других областях Южной Калифорнии. Исходя из этого, они заключают, что изменения b в зависимости от глубины, по-видимому, менее очевидны, чем это сообщается в сейсмологической литературе. А наблюдаемые различия могут представлять собой лишь локализованные аномалии, а не широко распространенное явление, которое несет важные последствия для структуры земной коры, моделирования напряжений и физики землетрясений.
Этот вывод отчасти согласуется с результатами подробного изучения сейсмичности с использованием очень плотной и высокого качества сейсмической сети на территории Японии [Ishibe
etal., 2008]. Было установлено, что b зависит от фокальных механизмов (выборки событий со сбросовыми механизмами показывали большие значения b, чем со сдвиговыми механизмами), и в то же время не было обнаружено каких-либо признаков зависимости от глубины величины b для мелкой коровой сейсмичности. Это привело авторов работы к соображению, что неизвестные ошибки в определении магнитуды и/или в локации событий приводят к кажущейся зависимости параметра b от глубины, о которой часто сообщается в сейсмологической литературе.
Тем не менее, это утверждение представляется слишком категоричным. Достаточно привести яркий пример выделения локализованных аномалий b на глубине по материалам плотной высококачественной сети в сейсмически активном вулканическом районе в Калифорнии [Wiermer and Wyss, 1997]. В указанной работе анализировалось 3-D распределение параметр
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.