Кинематика микроплит в Северо-Восточной Азии. Габсатаров Юрий Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Историческое развитие представлений о строении и динамике литосферы 14

1.1. История развития геотектонических представлений 14

1.2. Кинематика литосферных плит и делимость литосферы 20

1.3. Современные методы космической геодезии и их применение в науках о Земле 27

1.4. Микроплиты в Северо-Восточной Азии 39

1.5. Выводы к главе 1 40

ГЛАВА 2. Методология исследования кинематики микроплит

2.1. Основы обработки GPS-измерений 42

2.2. Регрессионный анализ временных рядов 46

2.2.1. Функциональная модель временного ряда 46

2.2.2. Стохастическая модель ГНСС-шума 55

2.2.3. Верификация моделей 58

2.3. Построение модели движения литосферной плиты 60

2.3.1. Аналитическое описание движения литосферной плиты

2.3.2. Моделирование движения микроплиты на основе исследования поля горизонтальных компонент ГНСС-скоростей 66

2.3.3. Построение модели движения микроплиты на основе блокового подхода 72

2.4. Анализ кинематических моделей 79

2.4.1. Статистическая проверка результата моделирования 80

2.4.2. Анализ поверхностных деформаций 82

2.5. Выводы к главе 2 86

ГЛАВА 3 . Исследование кинематики беринговой микроплиты 87

3.1. История развития гипотезы о существовании Беринговой микроплиты 87

3.2. GPS-измерения в пределах Беринговой микроплиты 92

3.3. Границы Беринговой микроплиты 98

3.4. Определение параметров вращения Беринговой микроплиты 115

3.5. Выводы к главе 3 125

ГЛАВА 4. Исследование кинематики охотской микроплиты . 126

4.1. История развития гипотезы о существовании Охотской микроплиты 126

4.2. GPS-измерения в районе Охотской микроплиты 130

4.3. Определение границ Охотской микроплиты 134

4.4. Определение параметров вращения Охотской микроплиты 147

4.5. Выводы к главе 4 153

Заключение 154

Список сокращений и условных обозначений 156

Список литературы 157q

• Современные методы космической геодезии и их применение в науках о Земле
• Аналитическое описание движения литосферной плиты
• Границы Беринговой микроплиты
• Определение границ Охотской микроплиты

Введение к работе

Актуальность темы. Согласно постулатам тектоники плит, лежащей в основе современной глобальной геодинамической концепции, тектоническая активность Земли обусловлена в основном горизонтальным перемещением крупных сегментов литосферы и их взаимодействием друг с другом. Интенсивность сейсмической и вулканической активности вблизи границ взаимодействующих литосферных плит определяется как типом самой границы (дивергентная, конвергентная или трансформная), так и скоростью относительного перемещения соответствующих плит.

Первые глобальные тектонические модели, определяющие параметры относительного движения и границы крупнейших плит, основывались на данных о скорости спрединга дна океанов, полученных из исследований полосовых магнитных аномалий, и данных об ориентации океанических трансформных разломов, полученных по сейсмологическим данным. Недостаточность и осредненный характер данных, использованных для построения первых тектонических моделей, обусловили малое число выделенных плит (5-6) и низкую точность полученных скоростей относительных перемещений. В дальнейшем, глобальные тектонические модели претерпели значительное развитие за счет увеличения количества и повышения точности используемых данных, а также привлечения информации о направлении подвижек в очагах субдукционных землетрясений, что позволило увеличить ансамбль выделяемых плит до 16 в общепринятой геологической модели NUVEL-1A. Однако предпринятые усилия не позволили преодолеть основные недостатки геологических моделей, такие как осредненность скоростей взаимных перемещений плит за несколько млн. лет и их относительный характер, а также невозможность прямого моделирования взаимного движения плит, не имеющих общих границ.

Дальнейшее совершенствование плитнотектонических построений связано с развитием методов космической геодезии, позволяющих получать высокоточные координаты точек земной поверхности посредством наблюдения за удаленными космическими объектами. Использование методов космической геодезии позволяет производить прямые измерения современных движений земной поверхности, обусловленных как современными движениями литосферных плит, так и

деформационными процессами, возникающими вблизи их границ. Кроме того, совместный анализ данных радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), квантово-оптических систем (КОС), допплеровской орбитографии (DORIS) и глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) позволил построить физическую реализацию земной системы отсчета, приемлемой в качестве общеземной неподвижной основы, в рамках которой стало возможным исследование абсолютных перемещений литосферных плит.

Первые исследования кинематики литосферных плит, проведенные с использованием данных РСДБ-, КОС- и ГНСС-наблюдений, показали в целом хорошее согласие между геодезическими моделями, описывающими современные тектонические движения, и геологическими моделями, отражающими движения, осредненные за несколько млн. лет, как по величине скоростей перемещения литосферных плит, так и по расположению их границ. Однако дальнейшее исследование данных станций сетей ГНСС-наблюдений, развернутых в труднодоступных тектонически активных регионах Земли, показало наличие небольших смещений земной поверхности, которые не могут быть объяснены с помощью существующих геолого-геодезических моделей. Попытка объяснить наблюдаемые с помощью методов космической геодезии тектонические движения снова подняла вопрос о степени фрагментированности жесткой оболочки Земли. С одной стороны, данные движения могут быть объяснены пластическими деформациями, возникающими вследствие взаимодействия крупных литосферных плит, но, в таком случае, нарушается постулат тектоники плит о жесткости литосферы и сосредоточенности деформационных процессов в узких пограничных поясах. Другое объяснение предполагает существование на границах крупных плит более мелких литосферных блоков - микроплит, обладающих собственной кинематикой.

Одним из таких неизученных с точки зрения геодинамики регионов является Северо-Восточная Азия, в которой, по мнению ряда авторов, может существовать ряд микроплит. Подробный геодинамический анализ Северо-Восточной Азии, предполагающий выделение всех существующих литосферных блоков и определение их кинематики, необходим для построения корректной геодинамической модели региона, а также решения задач изучения геодинамического режима и прогнозировании сейсмической опасности региона.

Целью данной работы является исследование кинематики микроплит в Северо-Восточной Азии и установление их границ на основе данных космической геодезии.

Для достижения поставленной цели в процессе выполнения диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Произвести обоснованный отбор пунктов ГНСС-наблюдений, необходимых для установления параметров движения исследуемых микроплит.

2. Произвести обработку первичных ГНСС-измерений с формированием временных рядов оценок координат ГНСС-станций, отражающих их перемещение во времени.

3. Разработать подход, позволяющий выделить стационарную компоненту смещения пунктов ГНСС-наблюдений, для станций, располагающихся вблизи тектонически активных границ литосферных блоков.

4. Реализовать учет сложной стохастической природы ГНСС-измерений для построения корректной модели ошибок координат ГНСС-станций.

5. Определить возможные варианты расположения границ исследуемых микроплит и особенности межплитового взаимодействия вдоль них на основе геологических, сейсмологических и геодезических данных.

6. Определить параметры движения исследуемых микроплит с учетом деформационных процессов, происходящих на их границах.

7. Проанализировать применимость полученных в работе результатов для уточнения геодинамической модели региона Северо-Восточной Азии.

Научная новизна. В настоящей диссертационной работе разработан метод изучения кинематики микроплит на основе данных космической геодезии, особенностями которого являются корректная подготовка исходных данных, реализованная посредством регрессионного анализа временных рядов ГНСС-измерений, и учет краевых деформационных эффектов, вызванных взаимодействием с окружающими литосферными блоками.

В рамках этапа подготовки данных осуществляется учет стохастической природы ГНСС-измерений, что позволяет получить корректную высокоточную оценку стационарных скоростей смещений станций наблюдения. Кроме того,

особенностями предложенной методики обработки исходных данных являются: 1) автоматизированное определение моментов времени косейсмических смещений, основанное на расчетах деформации земной поверхности по модели дислокации в однородном упругом изотропном полупространстве; 2) возможность моделирования переходных постсейсмических процессов, сопровождающих крупные землетрясения.

Предложенная методология была использована для определения кинематики Беринговой и Охотской микроплит с учетом различных вариантов расположения границ исследуемых литосферных блоков, предложенных на основе геологических, сейсмологических и геодезических данных. Статистический и геодинамический анализ полученных результатов позволил подтвердить значимость полученных результатов и выявить наиболее вероятный вариант расположения границ микроплит.

Основные положения, выносимые на защиту:

8. Задача определения кинематики литосферных микроплит по спутниковым геодезическим данным допускает математически обоснованное решение в рамках модели, корректно учитывающей пограничные деформационные процессы.

9. Корректный регрессионный анализ позволяет на высоком доверительном уровне выделять во временных рядах смещений спутниковых геодезических станций проявления различных тектонических процессов, в частности, современные движения плит и микроплит в целом, а также деформирование их границ в ходе сейсмического цикла.

10. По имеющимся спутниковым геодезическим данным определена современная кинематика Беринговой микроплиты, которая статистически значимо отличается от кинематики смежной Североамериканской плиты. Кроме того, оценено наиболее вероятное положение границ Беринговой микроплиты.

11. Анализ смещений вдоль восточной границы Охотоморской микроплиты показал необходимость уточнения представлений о геодинамическом режиме данного региона и выделения дополнительного блока в его южной части.

Практическая значимость. Полученные автором результаты исследования кинематики Беринговой и Охотской микроплит могут быть использованы для

уточнения геодинамической модели Северо-Восточной Азии, что, в свою очередь, играет важную роль в задачах изучения геодинамического режима и прогнозирования сейсмической опасности данного региона.

Предложенная в диссертации методология регрессионного анализа временных рядов ГНСС-измерений полностью автоматизирована и может быть использована для работы с данными постоянных станций ГНСС-наблюдений, расположенных как в стабильных частях литосферных плит, так и в деформируемых пограничных регионах. Полученные в результате применения данного алгоритма компоненты смещения станций могут широко использоваться в задачах изучения особенностей протекания сейсмического цикла и моделирования деформации земной коры в тектонически активных регионах.

Достоверность представленных в диссертации результатов обеспечивается обоснованностью подбора и корректностью обработки исходных экспериментальных данных, а также выбором адекватных математических моделей исследуемых процессов. Надежность выполненных расчетов обеспечивается устойчивостью численных методов, используемых при решении поставленных задач. Достоверность полученных кинематических моделей Беринговой и Охотской микроплит подтверждается статистическим анализом полученных результатов с определением их значимости и сравнением найденных параметров движения с аналогичными оценками, полученными в опубликованных ранее исследованиях.

Личный вклад. Основные результаты, полученные лично диссертантом в ходе выполнения работы, включают:

12. Обзор ранее проведенных исследований по тематике диссертации с последующей формулировкой основных задач, выполнение которых необходимо для достижения цели работы.

13. Подбор, подготовка и обработка исходных данных ГНСС-измерений станций Чукотской, Сахалинской, Камчатской и Курильской геодинамических сетей, а, также, станций континентальных сегментов глобальных сетей: NEDA (North Eurasia Deformation Array) и PBO (Plate Boundary Observatory).

14. Реализация в виде комплекса подпрограмм математически обоснованного алгоритма регрессионного анализа временных рядов ГНСС-измерений с целью выделения отдельных компонент смещения станций.

4. Расчет кинематики Беринговой и Охотской микроплит и определение наиболее вероятного расположения границ данных блоков.

Анализ полученных результатов и формулировка основных выводов проводились совместно с научным руководителем - д.ф.-м.н. Г.М. Стебловым.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на семинарах в ГС РАН, а также на ряде международных и всероссийских конференций, в том числе: AGU Fall Meeting (Сан-Франциско, США, 2009, 2011, 2013, 2014); Одиннадцатой Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2010); Восьмой международной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (Санкт-Петербург, 2010); Второй молодежной тектонофизической школе-семинаре в ИФЗ РАН (Москва, 2011); Третьей тектонофизической конференции в ИФЗ РАН "Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле" (Москва, 2012); Second European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (Стамбул, Турция, 2014). Работа была частично поддержана грантами РФФИ 08-05-12028-офи, 11-05-00871-а и 12-05-00711-а.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 15 печатных изданиях, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 174 страницы машинописного текста (без приложений), включая 54 рисунка и 14 таблиц. Список литературы содержит 183 библиографических наименования.

Современные методы космической геодезии и их применение в науках о Земле

Вопрос о происхождении современной конфигурации земной поверхности, истории ее развития и о движущих силах ее эволюции является одним из основополагающих в науках о Земле. Уже в античные времена предпринимались попытки найти объяснение наблюдающимся тектоническим движениям и сопровождавшим их изменениям земной поверхности [Хаин и Ломизе, 2005]. Развитие мореплавания и научных методов естествознания привело на рубеже XVI-XVII вв. к значительному увеличению представительности и числа натурных геологических наблюдений, что, в свою очередь, оказало определяющее влияние на развитие геотектонических представлений. До середины XX в. в геотектонике господствовало фиксистское направление, отрицавшее возможность значительных горизонтальных перемещений участков земной коры. С позиций фиксизма определяющую роль в развитии земной коры играют исключительно вертикальные тектонические движения различного масштаба. По мере накопления новых данных теория фиксизма претерпела значительное развитие от гипотезы контракции французского геолога Эли де Бомона (1833 г.), объяснявшей тектоническую активность нашей планеты ее постепенным остыванием и сжатием, и учений о геосинклиналях и платформах (Дж. Холл, 1859; Дж. Дэна, 1873; Э. Ог, 1900), согласно которой на земной поверхности существуют как устойчивые континентальные площади - платформы, так и особые зоны образования складчатых горных систем - геосинклинали, до наиболее развитых и обоснованных гипотез, предполагающих глыбово-волновой механизм развития земной коры [Белоусов, 1953; Хаин, 1964].

В начале XX в. в связи с кризисом в геотектонике, вызванным открытием радиоактивности и, как следствие, отказом от представлений о первоначально «горячей» Земле, на волне поиска альтернативных геотектонических концепций возникла гипотеза дрейфа континентов. Данная концепция, получившая свое первоначальное развитие в работах О. Фишера (1889) и Ф. Б. Тейлора (1910), была названа концепцией мобилизма, посколько допускала, в противовес фиксизму, значительные горизонтальные перемещения участков земной коры. Дальнейшее развитие гипотеза дрейфа континентов получила в работах немецкого метеоролога и геофизика Альфреда Вегенера. В своей книге "Происхождение континентов и океанов", изданной в 1912 году, Вегенер рассматривает современное строение земной коры как результат горизонтальных перемещений менее плотных глыб континентов, сложенных кремниево-алюминиевыми породами ("сиаль"), по внешней поверхности океанической коры, сложенной более плотными кремниево-магниевыми породами ("сима"). Изначально все континенты составляли один суперконтинент - Пангею, который впоследствии был разрушен за счет действия ротационных сил, связанных с вращением Земли, и приливных взаимодействий Земли с Луной [Вегенер, 1984]. В поддержку своей гипотезы Вегенер привел большое количество аргументов на основе географических (сходство береговых линий), палеоклиматических (сходство областей залегания ископаемых останков), геологических (прослеживание одинаковых геологических структур) и других данных из смежных наук о Земле. Дальнейшее развитие гипотеза дрейфа континентов получила в работе южноафриканского геолога А. дю Тойта [Du Toit, 1937], который показал, что первоначально существовал не один, как у Вегенера, а два суперконтинента: южный - Лавразия и северный - Гондвана, разделенные океаном Тетис.

Несмотря на большое количество данных, свидетельствовавших в пользу гипотезы дрейфа континентов, Вегенер и его последователи так и не смогли найти адекватный механизм, приводящий в движение огромные участки земной коры. Кроме того, данные сейсмологии показывали, что мантия ведет себя как твердое тело, следовательно, горизонтальные силы, приводящие в движение материки должны быть очень велики. После того, как в 1924 году английским геофизиком Г. Джеффрисом было показано, что предложенные Вегенером ротационные и приливные силы на несколько порядков слабее тех сил, которые могли бы сдвинуть материки [Джеффрис, 1960], научное сообщество отвергло гипотезу дрейфа континентов и надолго отказалось от самой концепции мобилизма.

Дальнейшему развитию мобилистического направления геотектоники, приведшего в результате к формулированию современной теории тектоники плит, предшествовал ряд революционных открытий в строении глубинных слоев Земли и литосферы. В 1935 году Н. Хаскелл установил, что наблюдаемое им постгляциальное поднятие в Скандинавии может быть объяснено вязко-жидкостным поведением мантии в геологических масштабах времени. Такое поведение вещества мантии обусловлено, как показал в 1965 году Р. Гордон, очень медленной ползучестью кристаллических пород при температурах близких к температурам плавления [Turcotte and Schubert, 2002]. В противовес текучему мантийному веществу, вещество литосферы находится при температуре значительно меньшей, чем температура плавления, что обуславливает твердость в геологических масштабах времени верхней оболочки Земли. В 1931 году английским геологом А. Холмсом была решена проблема поиска механизма, ответственного за разрушение суперконтинентов и дальнейшее перемещение материков [Holmes, 1931]. Холмс показал, что таким механизмом может быть термальная конвекция в мантии в присутствии гравитационного поля, при которой потоки менее плотного нагретого радиогенным теплом вещества из нижних слоев мантии поднимаются в верхние слои, где, охлаждаясь, устремляются вниз, поддерживая конвекцию. В области восходящих конвективных потоков происходит разрушение литосферы, которая впоследствии увлекается горизонтальной ветвью конвективной ячейки. Таким образом, исследования физики глубинных процессов и реологических свойств вещества мантии позволили преодолеть принципиальную преграду на пути становления концепции мобилизма.

Другой значительной проблемой ранней гипотезы дрейфа континентов являлась сложность реконструкции положения континентов в разные геологические эпохи, которая могла осуществляться только по геометрическим, палеоклиматическим и геоструктурным данным [Bullard et al., 1965]. Открытие в начале XX в. явления палеомагнетизма - естественной остаточной намагниченности горных пород с ферромагнитными свойствами, направление которой совпадает с направлением древнего магнитного поля Земли, и развитие точных радиологических методов определения возраста изверженных пород, позволило осуществить альтернативную реконструкцию расположений континентов в различные геологические периоды, что подтвердило их взаимные перемещения [Яновский, 1978].

Бурное развитие в 50-е годы XX в. исследований различными геофизическими методами дна океанов выявило многочисленные свидетельства в пользу горизонтальных перемещений участков земной коры. В 1960 году Г. Хессом на основе исследований теплового потока через дно океанов, сейсмологических и батиметрических данных было обнаружено расхождение земной коры в горизонтальном направлении от ере динно-оканических хребтов (СОХ), процесс в дальнейшем названный спредингом океанического дна [Hess, 1962]. Английские геофизики Ф. Вайн и Д. Метьюз подтвердили гипотезу спрединга, объяснив на ее основе обнаруженные незадолго до этого полосовые магнитные аномалии дна океанов [Vine and Matthews, 1963]. Согласно гипотезе Вайна-Метьюза, причиной возникновения симметричных относительно оси СОХ полосовых магнитных аномалий является нарождение коры в результате внедрения и дальнейшего отвердевания магмы в осевых зонах СОХ. Остывающие ниже точки Кюри лавы, обладающие ферромагнитными свойствами, приобретают намагниченность в направлении существовавшего в этой эпохе магнитного поля. В результате более молодая кора выдавливает более древнюю в горизонтальном направлении от оси СОХ, а наложение на этот процесс инверсий магнитного поля Земли приводит к появлению характерной полосчатой структуры аномалий. Гипотеза Вайна-Метьюза позволила не только подтвердить относительное движение участков литосферы, но и впервые измерить линейную скорость этого движения, которую можно получить, поделив ширину аномалии на длительность соответствующей магнитной эпохи.

Значительный вклад в понимание динамики зон СОХ внесли исследования Дж. Вилсона, описавшего новый тип разломов - трансформный [Wilson, 1965]. Трансформные разломы, представляющие собой особый тип сдвиговых разломов (противоположно направленное смещение их крыльев наблюдается лишь на участке, соединяющем оси спрединга), расчленяют СОХ на отдельные, смещенные в горизонтальном направлении, сегменты. Сейсмологическое прослеживание трансформных разломов, представляющих собой дуги эйлеровых параллелей вращательной системы, описывающей относительное движение двух расходящихся литосферных плит [Morgan, 1968], в дальнейшем широко использовалось в определении направления относительного движения этих плит в зоне раздвига.

Аналитическое описание движения литосферной плиты

Как уже отмечалось в разделе 1.3, высокая точность ГНСС-наблюдений обеспечивается использованием фазового метода измерения дальности и постобработкой полученных измерений. Методика оценивания координат станций по фазовым измерениям основывается на моделировании движения спутников в земной системе координат по кеплеровским параметрам их орбит и вычислении предполагаемых расстояний до спутников по априорным координатам наземных станций. Тогда сопоставление с реальными измерениями дает в общем виде уравнения наблюдения для фазовых отсчетов: где r vk), УГЧк), Z.at{tk) - декартовы координаты спутника / в момент наблюдения tk\ Xre\ Yrec, Zrec — искомые декартовы координаты измерительного пункта; pt \fk ) - фазовые измерения сигнала на соответствующей длине волны Л, регистрируемые приемником; A(pt - погрешности фазовых измерений; nt - неизвестное заранее целое число длин волн Л. В случае большого количества измерений система (2.1.1) становится достаточно обусловленной для разрешения целочисленных неопределенностей и получения оценок координат станций наблюдения [Стеблов, 2004].

Точность полученных оценок определяется корректностью процедуры учета разнообразных ошибок измерений, основными источниками которых являются: погрешности определения орбитальных параметров спутников, нестабильность стандартов частоты как спутника, так и приемника, многолучевый прием радиосигнала, а также задержки радиосигнала, связанные с прохождением через ионосферу и тропосферу [Blewitt, 2007].

В настоящее время большинство факторов, вносящих искажения в фазовые измерения, достаточно хорошо изучены, и их влияние может быть устранено одним из следующих способов: 1) модификацией исходного набора измерений путем составления таких линейных комбинаций исходных измерений, в которых ряд погрешностей взаимно вычитаются; 2) прямым моделированием и вычитанием искажающего влияния оставшихся факторов, физические свойства которых известны и для которых существуют теоретические модели. Более подробно учет влияния искажающих факторов рассмотрен в Приложении 1.

В данной работе для обработки первичных фазовых измерений используется программный пакет GAMIT/GLOBK [Herring et al, 2010a; Herring et al., 2010b] разработки Массачуссетского Технологического Института. Пакет GAMIT/GLOBK имеет модульную структуру для осуществления поэтапного процесса получения высокоточных координат и скоростей пунктов наблюдения.

Одним из общепринятых методов обработки первичных фазовых измерений в случае нескольких станций наблюдения является использование разностного алгоритма, работа которого состоит в формировании двойных и тройных разностей исходных фазовых измерений для выделения информации об относительном позиционировании пунктов наблюдения, а также обнаружения и устранения разрывов, связанных с нарушением непрерывности слежения за фазой несущей частоты [Petrovski and Tsujii, 2012]. В дальнейшем, к полученным двойным разностям исходных измерений применяется алгоритм взвешенных наименьших квадратов [Press et al., 1992] для разрешения фазовых неопределенностей и нахождения относительных координат всего набора станций, а также поправок к параметрам орбит спутников и к параметрам теоретических моделей, описывающих влияние различных искажающих измерения факторов. Описанный выше подход реализован в составной части пакета GAMIT/GLOBK - модуле GAMIT. Так как система вида (2.1.1) является нелинейной относительно искомых параметров модели распространения сигнала, результатом работы GAMIT являются два типа решения: 1) оценки координат станций с точностью в несколько дециметров, полученные при условии стабилизации решения относительно априорных координат ряда станций, считающихся хорошо определенными; 2) решение в виде оценок параметров, определяющих вектор состояния системы, и соответствующей матрицы ковариаций, полученной при условии отсутствия жестких априорных ограничений. Решение второго типа в дальнейшем рассматриваются как «квазинаблюдения» на втором этапе обработки исходных измерений.

Данный этап заключается в применении фильтра Калмана [Kalman, 1960] для пространственного комбинирования ежесуточных «квази-наблюдений» для разных спутниково-геодезических сетей в единое решение [Herring et al., 1990; Dong et al., 1998]. Процедура пространственного комбинирования, реализованная в модуле GLOBK пакета GAMIT/GLOBK, используется для привязки данных региональной геодезической сети к данным глобальной сети станций IGS, что необходимо при построении моделей движения литосферных плит.

На последнем этапе получения ежесуточных высокоточных оценок координат необходмио задать систему отсчета, в которой в дальнейшем будут рассматриваться координаты станций. Задание системы отсчета осуществляется путем применения общих ограничений к полученному на предыдущем этапе решению для глобальной сети путем минимизации поправок к априорным координатам указанных опорных станций земной отсчетной основы ITRF, координаты которых известны в любой момент времени с высокой точностью. Набор опорных станций в этом случае определяет некоторую реализацию отсчетной основы ITRF, переход от которой к другим реализациям возможен посредством трансформации Гельмерта. Таким образом, выбор реализации отсчетной основы осуществляется из соображений удобства при последующем анализе геодезических данных. Кроме того, при задании системы отсчета необходимо учесть движение центра отсчетной основы ITRF относительно центра вращения литосферных плит, приводящее к появлению кажущихся деформаций земной поверхности [Kogan and Steblov, 2008]. Реализация данного этапа обработки исходных измерений осуществляется с помощью модуля GLORG программного пакета GAMIT/GLOBK.

Полученные высокоточные ежесуточные оценки положений станций сети в выбранной системе отсчета комбинируются в дальнейшем в продолжительные временные ряды, отражающие изменчивость положения станций, вызванную как действием тектонических процессов, так и являющуюся отражением систематических и случайных ошибок GPS -измерений, не учтенных при первичном моделировании [Zhang et al, 1997; Мао et al, 1999].

Основой для построения геодезических моделей движения литосферных плит и проверки гипотез о тектоническом строении того или иного региона является анализ скоростей движения пунктов земной поверхности, полученных по данным космической геодезии. Одним из стандартных механизмов получения высокоточных оценок скоростей движения ГНСС-станций является калмановская фильтрация ежесуточных оценок поправок к априорным координатам станций наблюдения [Dong et al., 1998]. Такой подход позволяет учитывать стохастические смещения станций, вызванные постсейсмическими процессами и спорадическими движениями геодезической марки при условии известных параметров моделей данных смещений. Данные стохастические процессы играют роль помех, снижающих точность производимых измерений [Кузьмин, 2014]. Поскольку параметры, определяющие действие этих процессов, как правило, неизвестны, в данной работе был разработан алгоритм, позволяющий производить прямую оценку компонент смещения, вызванного различными физическими процессами, с учетом сложной стохастической природы ГНСС-измерений. Данный алгоритм основывается на регрессионном анализе временных рядов и позволяет получить корректные оценки скорости смещения пунктов ГНСС-наблю дений.

Границы Беринговой микроплиты

Полученные сейсмологические данные позволили снова поставить вопрос о существовании независимой Беринговой микроплиты, как одной из возможных интерпретаций наблюдаемой сейсмичности. В то же время, отсутствие западного замыкания сейсмического пояса Чукотки - Западной Аляски не позволяло ответить на этот вопрос положительно [Ландер и др., 1994]. Ситуация прояснилась только с развертыванием на Чукотском полуострове в 1980-1982 гг. стационарной сети, состоящей из 7 сейсмических станций. Материалы, собранные более чем за десять лет наблюдений (1980-1993) позволили проследить четко выраженную полосу сейсмичности (магнитуды 2.5 М 4.0), которая протянулась от Чукотского полуострова на юго-запад через Анадырский залив и северную часть Корякского нагорья в направлении Северной Камчатки. Таким образом, обнаружение Корякского замыкания Алеутского, Чукотского и Аляскинского сейсмических поясов, окружающих стабильную внутреннюю часть Берингова моря, позволило говорить о существовании самостоятельной, скользящей на запад вдоль Алеутского желоба, литосферной плите «Берингии» [Ландер и др., 1994]. Предположение о существовании обособленного Берингового блока было поддержано в работе [Маскеу et al, 1997], на основе первого совместного анализа данных советских и американских сейсмических сетей. Анализ полученных поясов сейсмичности и активных тектонических структур на Аляске позволил более четко обозначить границы предполагаемого блока, а также сделать предположение о движущей силе, приводящей к независимому вращению Берингового блока. В качестве данного механизма рассматривается продолжающаяся аккреция террейна Якутат, вызывающая движение соседнего тектонического блока Врангеля. Движение блока Врангеля в северо-западном направлении, в свою очередь, вызывает вращение Берингового блока по часовой стрелке относительно Североамериканской литосферной плиты (рис. 3.1.2).

Данные космической геодезии был впервые применены для проверки гипотезы о существовании Беринговой микроплиты в работе [Cross and Freymueller, 2008]. Авторы использовали данные 7 станций GPS-наблюдений, расположенных на островах в Беринговом море и на его восточном побережье, а так же 68 пунктов вдоль Алеутской островной дуги и полуострова Аляска, для построения кинематической модели вращения Беринговой микроплиты относительно Североамериканской литосферной плиты.

Поскольку большинство использованных GPS-станций в то время работали в режиме периодических наблюдений, при котором невозможно разделение косейсмических смещений и действия переходных и вулканических процессов, была осуществлена пространственная выборка данных (исключались станции вблизи активных вулканов и в области действия постсейсмических процессов, сопровождающих Великое Аляскинское землетрясение 1964 года) и временная выборка данных (для станций в западной Аляске использовались временные ряды только до землетрясения на разломе Денали 3 ноября 2002 года). Рис. 3.1.2. Границы предполагаемого Берингового блока по [Mackey et al., 1997]. Показаны механизмы крупейших сейсмических событий региона и активные тектонические разломы. Звездочкой отмечено предполагаемое положение полюса Эйлера вращения Берингового блока относительно Североамериканской плиты, стрелка - показывает направление вращения.

Кроме того, практически все GPS-станции, данные которых использовались при определении вектора Эйлера, располагались вблизи границ литосферных плит, что обуславливало необходимость моделирования деформационной составляющей в измеренных скоростях движения. В общем виде, скорости станций, расположенных на Алеутских островах, являются векторной суммой деформационной составляющей, обусловленной пододвиганием Тихоокеанской литосферной плиты под Алеутскую островную дугу и сцепленностью в зоне межплитового контакта, а также компоненты, отражающей перемещения части островной дуги вдоль желоба или движение Беринговой микроплиты как жесткого тектонического блока. В работе [Cross and Freymueller, 2008] моделирование деформационной составляющей осуществляется посредством перебора значений скорости смещения Алеутской островной дуги вдоль глубоководного желоба, вычитаемой впоследствии из измеренных величин скоростей GPS-станций, и последующим решением обратной задачи моделирования величины поверхностной деформации по модифицированным данным о скоростях смещения GPS-станций. Если невязки между модельными и модифицированными наблюденными данными оказывались малы, то совокупная модель краевого деформирования островной дуги и перемещения как целого принималась верной. Полученная в результате кинематическая модель, подтвердила предположения о существовании в пределах границ, определенных в [Ландер и др., 1994; Mackey et al., 1997], жесткого Берингового блока, вращающегося по часовой стрелке относительно Североамериканской плиты с угловой скоростью 6.4 ±3.3 град/млн. лет, при чем полюс Эйлера, описывающий относительное вращение, располагался в восточной Азии (44.1 N, 125.6 Е).

Наблюдения методами космической геодезии на территории Беринговоморского региона и его окрестностей начались с установки в начале 80-х годов XX в. постоянно действующей станции длиннобазисной радиоинтерферометрии (VLBI) в г. Фэйрбенкс, Аляска. В дальнейшем, для изучения границы между Тихоокеанской и Североамериканской литосферными плитами, в течение 1984-1989 гг. были проведены периодические VLBI-наблюдения еще на 5 пунктах на Аляске, данные которых были впервые использованы для изучения тектонических процессов, происходящих в Алеутской субдукционной зоне [Ma et al., 1990].

Первые периодические GPS-измерения на территории предполагаемой Беринговой микроплиты были проведены Национальной геодезической службой США (NGS) в 1984 году. В дальнейшем, с целью формирования высокоточной сети реперных точек, измерения проводились повторно в 1988-1991 гг. по всей территории штата Аляска. Высокая сейсмическая и тектоническая активность Беринговоморского региона обуславливает сложность корректной интерпретации современных движений земной поверхности по данным станций периодических повторных GPS-наблюдений, что связано с невозможностью моделирования смещения пунктов измерений вследствие сейсмических событий и сопровождающих их постсейсмических процессов. Решением данной проблемы является установка постоянно действующих GPS-станций, измерения которых позволяют сформировать непрерывный временной ряд наблюдений и произвести оценку отдельных компонент смещения станций. Труднодоступность территорий, обрамляющих Берингово море, и отсутствие необходимой инфраструктуры препятствовало развертыванию достаточно плотной сети постоянных GPS-станций. В результате до 1996 года на восточной окраине БМП существовала единственная постоянно действующая станция FAIR, установленная в г. Фэйрбенкс в 1991 году. К 2003 году сеть постоянных GPS-станций на Аляске насчитывала уже 34 станции, однако их распределение по площади было крайне неравномерным [Freymueller et al., 2008].

В 2004-2009 гг., в рамках масштабного проекта по изучению процессов пограничного деформирования и вулканической активности на Алеутских островах, проводимого в рамках программы наблюдений плитовых окраин (РВО) в составе Earthscope в сотрудничестве с Геофизическим Институтом Университета Аляски, Фэйрбенкс и Вулканической обсерваторией Аляски, была выполнена установка 138 постоянно действующих станций GPS-наблюдений и соответствующей инфраструктуры на Алеутских островах и материковой части штата Аляска [Enders et al., 2011]. Неоднородность величин и направлений смещений станций сети РВО (рис. 3.2.1) отражает сложный характер деформирования восточной окраины БМП.

Установка постоянных станций сети РВО, продолжительность непрерывных временных рядов которых к настоящему времени составляет более 5 лет, позволяет использовать для изучения кинематики Беринговой микроплиты не только GPS-станции, расположенные в ее стабильной по данным сейсмологии части, но и станции из пограничных деформируемых регионов БМП - Алеутских островов и Западной Аляски, что позволяет более детально изучить вопрос о расположении границы БМП в этих регионах.

Определение границ Охотской микроплиты

Спутниково-геодезические измерения на станциях в Охотоморском регионе позволили построить кинематическую модель мгновенного вращения Охотской микроплиты. При построении данной модели, вследствие отсутствия измерений в стабильной части микроплиты, было особенно важно использовать методологию блокового моделирования с регрессионным анализом временных рядов для корректной оценки пограничных деформационных эффектов.

Появление новых спутниково-геодезические данных, измеренных на восточной границе Охотской микроплиты, позволило показать статистически значимое отличие кинематики блока Северного Хонсю, отсутствующего в предыдущих геодинамических моделях Охотоморского региона, от кинематики Охотской микроплиты.

Проверка построенных кинематических моделей показала хорошую согласованность направлений относительного движения плит на разных участках границы выделенных блоков и фокальных механизмов землетрясений, доминирующих на этих участках, что подтверждает геодинамическую состоятельность построенных моделей.

Построенная кинематическая модель Охотской микроплиты позволила оценить скорость смещения южной части Курильской дуги и проверить гипотезу о существовании Южно-Курильского блока, прослеживаемого по геологическим и сейсмологическим данным. Результаты моделирования свидетельствуют о наличии небольших скоростей смещения островной дуги относительно Охотской микроплиты, которые могут объясняться процессами краевого деформирования без привлечения дополнительных тектонических блоков.

Независимо построенные кинематические модели Охотской и Беринговой микроплит хорошо согласуются, что подтверждается результатом сравнения направления относительного перемещения вдоль их общей границы и доминирующего на этом участке типа механизмов очагов землетрясений. Таким образом, совместное использование построенных кинематических моделей может усовершенствовать геодинамическую модель Северо-Восточной Азии.

Современные спутниково-геодезические измерения в тектонически активных регионах свидетельствуют о существовании вдоль конвергентных границ крупнейших литосферных плит широких зон, состоящих из микроплит -целостных тектонических блоков меньшего размера, обладающих собственной кинематикой. Одним из таких регионов является Северо-Восточная Азия, в которой, по мнению ряда авторов, могут существовать несколько микроплит, к наиболее крупным из которых относятся Берингова, Охотская и Амурская. Построение кинематических моделей современного движения микроплит и установление механизмов, вызывающих это движение, может существенным образом улучшить понимание геодинамических процессов, протекающих в тектонически активных регионах.

В данной диссертационной работе предложен подход к изучению кинематики микроплит на основе данных космической геодезии, особенностями которого являются: 1) применение методологии блокового моделирования которая позволяет корректно учитывать краевые деформационные эффекты, вызванные взаимодействием с окружающими литосферными блоками; 2) особый алгоритм обработки данных постоянных станций спутниково-геодезических наблюдений, который позволяет получать математически обоснованные оценки компонент смещения станций в тектонически активных регионах. Алгоритм обработки данных основан на регрессионном анализе временных рядов высокоточных координат станций ГНСС-наблюдений и позволяет повысить точность оценки линейной компоненты смещения этих станций за счет корректного учета стохастической природы измерений, сезонной компоненты смещения, а также действия сейсмических и постсейсмических процессов.

Предложенный подход, в совокупности с процедурами статистического и геодинамического анализа полученных результатов, позволяет получить физически и математически обоснованное решение задачи об определении кинематики литосферных микроплит. Данная методология была использована для определения кинематики Беринговой и Охотской микроплит с учетом различных вариантов расположения границ исследуемых литосферных блоков, предложенных на основе геологических, сейсмологических и геодезических данных. Статистический и геодинамический анализ полученных результатов позволил подтвердить значимость, геодинамическую обоснованность и согласованность полученных кинематических моделей и выявить наиболее вероятный вариант расположения границ предполагаемых микроплит. В рамках исследования кинематики Охотской микроплиты удалось показать наличие независимого вращения ее южной оконечности - блока Северного Хонсю и определить параметры его современного движения.

Кроме того, построенные кинематические модели микроплит позволили выявить участки земной поверхности, тектонические движения в которых отличаются как от модели движения крупнейших литосферных плит региона, так и от модели движения выявленных микроплит. Тектоническое строение данных областей представлено либо ансамблем мелких тектонических блоков, образующих сильно деформированную область между границей микроплиты и ее стабильной частью, либо наличием целостного тектонического блока небольшого размера, отколовшегося от материнской микроплиты. Существование подобных областей обусловлено высокой активностью конвергентных границ крупнейших литосферных плит региона: Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской.

Полученные автором результаты исследования кинематики Беринговой и Охотской микроплит могут быть использованы для уточнения геодинамической модели Северо-Восточной Азии, что, в свою очередь, играет важную роль для изучения геодинамического режима и прогнозировании сейсмической опасности данного региона.