ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 2, с. 3-14
УДК 550.34.012
О СКОРОСТЯХ ВОЛН Р И 5 В ЗОНЕ БЕНЬОФА ЮЖНОЙ КАМЧАТКИ
© 2004 г. И. П. Кузин1, В. И. Левина2, Д. Г. Левченко1, О. Н. Соловьева1, А. Б. Фленов1
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва 2Камчатская ОМСП Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский
Поступила в редакцию 08.10.2002 г.
Произведено изучение невязок времен пробега Р- и 5-волн для станции Шипунский при землетрясениях региона Южной Камчатки по отношению к региональному Камчатскому годографу. Использовано более 2100 землетрясений за 1987-1993 гг. с М = 2.3-4.9 в диапазонах эпицентральных расстояний 0-350 км и глубин очагов 25-200 км. Распределение по глубинам оказалось неравномерным: 1455 землетрясений или 64% общего числа пришлось на глубины 25-50 км, 700 - на глубины 51-150 км (33%) и всего 70 (3%) на глубины 126-200 км.
Ввиду того, что станция Шипунский расположена на выходе зоны Беньофа на поверхность, траектории сейсмических волн от очагов к станции лежат в пределах зоны Беньофа. При анализе невязок учитывались только те очаги, которые приурочены к части зоны, наклоненной под Камчатку. Ее граница определена по изолинии глубин 26-50 км. При осреднении невязок по 50 км интервалам эпицентральных расстояний и глубин 25 км и последующим сглаживании с 50% перекрытием интервалов были получены поля невязок ДгР и Д^. Эти поля характеризуют особенности распространения сейсмических волн в разных частях зоны Беньофа. Общая особенность полей невязок - это их отрицательный знак и немонотонное распределение в зоне Беньофа.
В результате интерпретации полей невязок были восстановлены поля скоростей Р- и 5-волн. Они имеют сходный характер и сложную структуру, с наличием областей повышенных (УР = 8.5-9.0 км/с, Уд = 4.8-5.2 км/с) и пониженных (УР = 7.0-7.5 км/с, У$ = 4.1-4.5 км/с) значений. Области повышенных скоростей выделяются под северо-восточной (глубины 30-60 км) и центральной (глубины 60-110 км) частями Авачинского залива. Область пониженных скоростей на глубинах 40-110 км располагается под юго-западной частью залива. Эта область подстилается в свою очередь продолжением области повышенных скоростей на глубинах 110-135 км. Понижение скоростей глубже 135 км, более заметное для Р-волн, может быть обусловлено влиянием вулканического пояса Камчатки. Для поля скоростей продольных волн характерна более высокая контрастность (7.0-9.3 км/с), чем для поля поперечных волн (4.1-5.2 км/с). При этом преобладающим является повышенный фон скоростей УР и Уд, области пониженных скоростей локальны и имеют подчиненное значение. Этот результат может быть следствием более жесткого отбора исходных данных, когда учитывались только те очаги, от которых траектории к станции Шипунский проходили вдоль (по простиранию) зоны Беньофа.
На основе анализа пространственного распределения числа представительных землетрясений за 97 лет (М > 6.1 за 1901-1974 гг. и М > 4.5 за 1975-1997 гг.) и высвобожденной сейсмической энергии за эти же промежутки времени в регионе Южной Камчатки (к югу от п-ова Шипунский) [Кузин, Соловьева], подтверждено существование сейсмической бреши в зоне Авачинского залива [Федотов, 1965; 1968; 1974; Федотов и др., 1980; 1987; 1994]. В упомянутых выше работах С.А. Федотова и его сотрудников предполагается, что землетрясение с М = 7.75-8.0 в зоне Авачинского залива может возникнуть на глубинах до 80 км при минимальном эпицентральном расстоянии от Петропавловска-Камчатского около 85 км (см., например, [Гусев и др., 1980]). Однако принимая во внимание недостаточную определенность этой оценки, мы попытались по возможности уточнить положение очага ожидаемого катастрофического землетрясения, основываясь на факте
приуроченности очагов сильнейших землетрясений (М > 7.75) к областям повышенных скоростей Р-волн в зоне Беньофа (УР = 8.1-8.5 км/с) [Тараканов, Ким, 1979; Сергеев и др., 1987, Кузин, 1998]. Поэтому была поставлена задача определения скоростной структуры зоны Беньофа региона Южной Камчатки на основе интерпретации невязок времен пробега станции Шипунский. Результатам решения этой задачи посвящена настоящая статья.
Изучение невязок времен пробега для станции Шипунский от очагов землетрясений Южной Камчатки
Как известно, невязка времени пробега есть разность между наблюдаемым временем пробега от очага землетрясения к данной станции и теоретическим временем по годографу для тех же значений эпицентрального расстояния и глубины
очага. Поскольку станция Шипунский расположена в области выхода зоны Беньофа на поверхность, траектории сейсмических волн P и S к ней от землетрясений Южной Камчатки целиком лежат в пределах этой зоны. Мы рассматриваем распределение невязок AtP и AtS в двухмерном варианте, относя траектории к осевой плоскости зоны Беньофа ввиду ее малой мощности (от 20 км [Sykes et al., 1969] до 30 км [Кузин, 1974]).
Рассматриваемое распределение невязок характеризует особенности среды, в которой распространяются сейсмические волны от многих землетрясений к одной станции. Поэтому при анализе невязок используется принцип взаимности, т.е. их значения относятся к очагам землетрясений. Зная величины глубины очага и эпицент-рального расстояния для данного землетрясения, можно определить положение точки с тем или иным отличием времени пробега от теоретического в плоскости h, A. Совокупность таких точек характеризует дискретное поле невязок в осевой плоскости зоны Беньофа.
При изучении невязок AtP и AtS для станции Шипунский использованы данные 2117 землетрясений с КФ = 8.0 - 11.9 (М = 2.3-4.9) региона Южной Камчатки за 1983-1997 гг. (см. рис. 1, рис. 2). Диапазон эпицентральных расстояний составил 0-350 км, диапазон глубин - 25-200 км. Поскольку изучение невязок производилось для основной части зоны Беньофа, наклоненной под Камчатку, использовались землетрясения с эпицентрами к северо-западу от разграничительной изолинии глубин очагов 26-50 км [Федотов и др., 1985]. Эта изолиния отделяет наклонную часть зоны Беньофа от ее периферийной горизонтальной части под континентальным склоном Камчатки.
Весь массив данных о невязках был разделен на группы по глубинам: 1) 25-50 км; 2) 51-75 км; 3) 76-100 км; 4) 101-125 км; 5) 126-150 км; 6) 151175 км; 7) 176-200 км. Однако распределение землетрясений по глубине было неравномерным. На первый интервал глубин пришлось 64% от общего числа землетрясений (1355 землетрясений), а на интервалы 51-125 км - 8-9% (168-205 землетрясений), на глубины 126-150 км около 6% (134 землетрясения) и в интервале 151-200 км доля землетрясений составляет всего 1-2% (от 50 на глубинах 151-175 км до 21 глубже 175 км). Эта особенность характерна не только для Камчатки [Федотов и др., 1985], но и для всех островных дуг Тихого океана, в которых основная масса землетрясений сосредоточена в верхнем слое литосферы (глубины до 100 км). Ввиду малочисленности данных для глубин более 175 км они не использовались при восстановлении скоростей.
Принимая во внимание разброс отдельных значений невязок, производилось их группирование и осреднение (сглаживание) для каждого 25 км диапа-
зона глубин по 50 км скользящим интервалам эпицентральных расстояний с 50% перекрытием. Ввиду резкого уменьшения числа данных для глубин более 100 км (всего около 18%) на этих глубинах производилось двойное сглаживание - по глубине и по эпицентральному расстоянию, в одинаковых интервалах 50 км и с таким же перекрытием. В результате для каждого диапазона глубин и эпицентральных расстояний составлялся отдельный файл, при обработке которого определялось положение центров тяжести в плоскости Н, А с ко-
ординатами h =
S h
и A =
SA,
и оценками
п п
среднеквадратичного разброса АН и йА. По совокупности невязок АtPi и АtSi для каждого центра тяжести
— Уа г^
вычислялись их средние значения А1Р - ^-
A t
lSi
также с оценками среднеквадра-
тичного разброса 5At и 5
A ts
Использование дискретного поля невязок для дальнейшей интерпретации и перехода к определению скоростей представляется неудобным ввиду неравномерного распределения центров тяжести невязок в плоскости Н, А и наличия разных по величине пробелов между ними. В этом случае использование даже густой сетки сейсмических лучей не решает проблемы. Гораздо более удобно провести линейную интерполяцию между значениями невязок в соседних центрах тяжести и перейти к полю невязок в непрерывной модификации. Тогда потребуется небольшое число сейсмических лучей (не более 10 в нашем случае).
Поля невязок АР и АtS в непрерывной форме оказались весьма сходными между собой. Ввиду того, что эти поля представляют собой промежуточный источник информации в определении скоростного строения среды в зоне Беньофа, мы не даем их подробного описания. Отметим лишь общие особенности, которые состоят в следующем. Во-первых, все невязки АР и А^ имеют отрицательный знак, что означает меньшие наблюдаемые времена пробега по сравнению с временами регионального годографа Камчатки. В свою очередь, это свидетельствует о более высоких скоростях распространения сейсмических волн в зоне Беньофа. Наименьшие величины невязок наблюдаются вблизи станции Шипунский (АР = = - 0.2-0.3 с, А^ = -0.4-0.7 с), что вполне объяснимо, так как на малых расстояниях различие реальных и теоретических значений скоростей слабо отражаются на различиях времен пробега сейсмических волн. Наибольшие значения невязок составляют -2.2-2.3 с для волн Р и -3.4-3.9 с для волн S на эпицентральных расстояниях 150-250 км.
Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений, использованных для изучения невязок и восстановления скоростей для региона Южной Камчатки.
Граница между наклоненной под Камчатку и горизонтальной частями зоны Беньофа проведена согласно работе [Федотов и др., 1985].
Классы энергии, Кф (по С.А. Федотову) Глубины очагов, км
1. 8.1-9.0 5. 25-50; 6. 51-75; 7. 76-100; 5. 101-125;
2. 9.1 - 10.0 9. 126-150; 10. 151-175; 11. 176-200
3. 10.1 - 11.0
4. 11.1 - 12.0
Звездочкой помечены вулканы.
юз
А, км 300
250
—I—
200
(а)
м. Пираткова
ш 150
СВ
Петропавловск-Камчатский п-ов Шипунский
100 .50 0
-0
О&Л 8,0 7.^
-30 -
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.