УДК 550.348 550.394
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ГЛОБАЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВ ГРЕЙС В ОБЛАСТЯХ ТРЕХ НЕДАВНИХ ГИГАНТСКИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
© 2014 г. В. О. Михайлов1, 2, Isabelle Panet3, Michael Hayn2, Е. П. Тимошкина1, 2, Sylvain Bonvalot4, В. Ляховский5, Michel Diament2, ОИ^г deViron2
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия 2Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Institut de Physique du Globe de Paris, Paris, France 3Institut National de l'Information Geographique et Forestiere, Laboratoire LAREG, Universite Paris Diderot; Paris Cedex 13, France 4Institut de Recherche pour le Développement (IRD)/ Bureau Gravimétrique International (BGI) — GET(UMR5563 CNRS/IRD/UT3), Toulouse, France
E-mail: sylvain.bonvalot@ird.fr 5Geological Survey of Israel, Jerusalem 95501, Israel E-mail: vladi@geos.gsi.gov. il Поступила в редакцию 15.06.2013 г.
Выполнен сравнительный анализ косейсмических и постсейсмических временных вариаций глобального гравитационного поля по данным спутников Грейс в областях трех катастрофических землетрясений: Андаман-Суматранского 26.12.2004, магнитудой Мд = 9.1, Мауле-Чили 27.02.2010 Мд = 8.8 и Тох-оку-Оки, 11.03.2011 Мд = 9.0. Косейсмические изменения гравитационного поля в результате этих землетрясений на уровне разрешения моделей спутников Грейс в основном представляют собой обширные отрицательные аномалии, расположенные в тылу зоны субдукции. Реальные данные были сопоставлены с аномалиями, рассчитанными по моделям поверхности разрыва, построенным с использованием различных наземных данных. Показано, что различия гравитационных аномалий, соответствующих различным моделям поверхности разрыва, превосходят погрешность моделей Грейс. Поэтому косей-смические аномалии гравитационного поля позволяют, как минимум, отбраковать часть эквивалентных по наземным данным моделей.
В первые месяцы после Андаман-Суматранского землетрясения над глубоководным желобом начала формироваться положительная гравитационная аномалия, которая быстро распространилась на область задугового бассейна, существенно компенсируя отрицательную косейсмическую аномалию. Столь быстрое изменение гравитационного поля не удается целиком объяснить процессом вязкоупругой релаксации напряжений. Согласно расчетам, процесс релаксации даже при достаточно низкой вязкости верхней мантии обеспечивает около половины наблюдаемого изменения поля. Для объяснения оставшейся части временных вариаций нами был предложен механизм продвижения на глубину поверхности косейсмиче-ского разрыва. Возможность такого процесса была подтверждена результатами численного моделирования. Возникающая при этом гравитационная аномалия в сумме с аномалией, создаваемой процессом вязкоупругой релаксации, объясняет наблюдаемые изменения гравитационного поля в районе землетрясения. Аналогичные постсейсмические изменения гравитационного поля зафиксированы и в области землетрясения Тохоку-Оки. После землетрясения там также произошел быстрый рост положительной аномалии, которая частично скомпенсировала отрицательную косейсмическую аномалию. Временные вариации гравитационного поля в районе землетрясения Мауле-Чили несколько отличаются от изменений, зарегистрированных в рассмотренных выше островных дугах. Постсейсмические изменения гравитационного поля сконцентрированы в более узкой полосе над глубоководным желобом и шельфом и не смещаются в континентальную область, где расположена отрицательная косейсмическая аномалия. Отмеченные расхождения отражают различия геодинамических обстановок, в которых произошли исследуемые землетрясения.
Б01: 10.7868/80002333714020069 ВВЕДЕНИЕ
Изучение временных вариаций гравитационного поля Земли имеет длительную историю. Еще в середине прошлого века в целом ряде районов проводились повторные гравиметрические съемки на специально оборудованных реперах. На-
земные измерения обычно ограничены относительно небольшими площадями и в последние годы достигали точности в несколько десятков микрогал (1 мкгл = 10-9 гл = 10-9 см/с2). Временные вариации гравитационного поля измеряются также на стационарных пунктах, при этом наи-
большая точность достигнута с применением сверхпроводящих гравиметров. В настоящее время в мире работает более 30 сверхпроводящих гравиметров, однако их данные являются точечными и не дают достаточно детального представления о глобальной и тем более, региональной динамике изменений гравитационного поля.
Ситуация кардинально изменилась 17 марта 2002 г. после запуска спутниковой системы Грейс, которая состоит из тандемной пары спутников. Высота орбиты спутников в настоящее время примерно 437 км, расстояние между ними около 191 км. Высокая точность и разрешающая способность системы Грейс по сравнению с предыдущими спутниками, определяется тремя ее особенностями: 1). Существенно более низкой орбитой. 2). Высокоточным определением орбиты спутников не только с помощью систем наземного слежения, но и высоколетящими спутниками глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС. 3). Высокоточным (до 10 мкм) непрерывным измерением расстояния между спутниками, что до некоторой степени аналогично измерению градиента гравитационного поля вдоль их траектории. Данные спутников Грейс позволяют не только строить новые высокоточные модели статического гравитационного поля Земли, включая модели, основанные только на спутниковых или на спутниковых и наземных данных, но и исследовать его временные вариации. Несколько исследовательских центров рассчитывают и публикуют в Интернете ежемесячные модели гравитационного поля в виде разложений по сферическим функциям. Модели в частности выпускают GeoForschungsZentrum (GFZ), Потсдам, Германия, Центр космических исследований (CSR) Техасский университет, Остин, США, Лаборатория реактивного движения (JPL), NASA, Калифорния, Исследовательская группа по космической геодезии (CRGS) Национального центра космических исследований Франции (CNES). Последний из перечисленных центров рассчитывает модели, используя данные за месяц со сдвигом на 10 дней. В результате получается ряд из сглаженных во времени десятидневных моделей, содержащих 50 сферических гармоник. Плановая продолжительность миссии Грейс составляла 5 лет, но спутники работают уже 11 лет и, по-видимому, смогут продолжить работу еще 2—3 года.
Основными целями миссии Грейс было изучение динамики океана, ледниковых покровов, крупномасштабной циркуляции водных масс на континентах. Эти эффекты вызывают изменения высот геоида в несколько миллиметров на больших пространственных масштабах, что вносит основной вклад в регистрируемые спутниками Грейс вариации гравитационного поля [Dickey et al., 1997, Wahr et al., 1998]. Теоретические оцен-
ки [Gross, Chao, 2001; Mikhailov et al., 2004; Sun, Okubo, 2004; Михайлов и др., 2005] показали, что изменения гравитационного поля в результате сильных землетрясений также могут быть выделены в моделях Грейс, но такие исследования первоначально не планировались, поскольку трудно было ожидать, что в течение планового пятилетнего периода работы спутников произойдут катастрофические землетрясения, которых до этого не было около 40 лет.
Для демонстрации возможности выделения вариаций гравитационного поля, связанных с землетрясениями нами были использованы модели поверхности разрыва землетрясения 1960 г. в Чили магнитудой Mw =9.5 (здесь и далее оценки магнитуд даны по каталогу NEIC USGS) и 1964 г на Аляске (Mw = 9.2) [Mikhailov et al., 2004]. Было показано, что уровень точности гравитационных моделей Грейс позволит выделить косейсмические вариации гравитационного поля от сильных землетрясений, подобных событию на Аляске. Также была продемонстрирована возможность выбрать "правильную" модель поверхности разрыва среди трех моделей, предложенных в работе [Savage, Hastie, 1966] для землетрясения в Чили и одинаково хорошо удовлетворяющих данным наземной геодезии. В то же время оказалось, что для выделения линейного во времени тренда в гравитационном поле, соответствующего росту напряжений и деформаций на запертом участке зоны субдукции на Аляске понадобится точность на порядок выше точности ежемесячных моделей Грейс. Последний результат важен для планирования последующих спутниковых проектов по изучению временных вариаций гравитационного поля.
Позднее нами было выполнено детальное исследование возможности выделения косейсмиче-ских вариаций гравитационного поля от землетрясений различной магнитуды с применением разложений по эмпирическим ортогональным функциям [de Viron et al., 2008]. Оказалось, что при нынешней точности гравитационных моделей Грейс с вероятностью более 98% могут быть выделены сигналы от землетрясений с магнитудой Mw= 9, с вероятностью около 60% — с магнитудой Mw = 8.8. Для магнитуды Mw = 8.6 оценка составила 40%, а для магнитуды 8.3 — не выше 33%.
Позднее, в период работы на орбите спутников Грейс, произошли три катастрофических землетрясения: Андаман-Суматранское 26.12 2004, магнитудой Mw = 9.1, Мауле-Чили 27.02.2010 Mw = 8.8 и Тохоку-Оки, 11.03.2011 Mw = 9.0. Эти события инициировали многочисленные исследования временных вариаций гравитационного поля в областях этих землетрясений с использованием гравитационных моделей Грейс.
В данной статье проанализированы возможности исследования косейсмических и постсейсми-
ческих процессов на основе совместного анализа моделей Грейс и наземных данных, приведены некоторые результаты геодинамического моделирования, выполненного для верификации заключений, основанных на результатах этой совместной интерпретации. Авторы не ставили целью написать подробный обзор многочисленных опубликованных работ, поэтому ниже даются ссылки только на наиболее важные публикации.
АНДАМАН-СУМАТРАНСКОЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ
Это землетрясение было одним из сильнейших сейсмических событий за последние 100 лет и первым событием, исследованным с применением спутниковой гравиметрии. Эпицентр землетрясения располагался в зоне субдукции Ин-до-Австралийской плиты под юго-восточную часть Евразийской плиты, западнее северной оконечности о. Суматра
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.