Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы определения и кинематически е модели смещений для земли 11
1.1. Методы космической геодезии, сверхдлиннобазисная интерферометрия (VLBI), геоцентрическая система и GPS метод 11
1.2. Системы отсчета, модели твердотельного движения тектонических плит и определение смещений земной поверхности отдельных регионов Земли 34
1.3. Анализ внутриплитных движений на примере Тянь-Шаня и Таримской плиты 47
1.4. Анализ моделей вращения Евразии, построение новой модели по последним экспериментальным данным. Задачи исследований 49
Глава 2. Поле смещений земной коры горного алтая в эпоху 2000-2003 гг., признаки подготовки чуиского землетрясения 55
2.1. Алтае-Саянский регион, технология измерений и конфигурация GPS-сети 55
2.2. Современное поле смещений земной коры Центральной Азии 62
2.3. Поля смещений земной коры Горного Алтая до землетрясения 69
2.4. Анализ поля деформаций в эпоху перед Чуйским землетрясением
3 2.5. Выводы 88
Глава 3. Косеисмические смещения, модели процесса 90
3.1. Определение поля косейсмических смещений 90
3.2. Модели 20-смещений 100
З.З.Косейсмические смещения при Чуйском землетрясении, определение параметров 102
3.4. Определение параметров Кунь-Луньского землетрясения по данным радарной съемки InSAR 116
3.5. Поверхностная деформация, обусловленная различными видами подвижек на разломах в полупространстве - ЗБ-модель 121
3.6. Современные тектонические движения Горного Алтая 131
3.7. Выводы 133
Заключение 135
Литература
- Системы отсчета, модели твердотельного движения тектонических плит и определение смещений земной поверхности отдельных регионов Земли
- Анализ моделей вращения Евразии, построение новой модели по последним экспериментальным данным. Задачи исследований
- Поля смещений земной коры Горного Алтая до землетрясения
- Определение параметров Кунь-Луньского землетрясения по данным радарной съемки InSAR
Введение к работе
Объект исследования. Поля смещений в зоне сильного землетрясения, дислокационные модели смещений земной коры.
Актуальность. Появление в последние десятилетия различных модификаций методов космической геодезии субмиллиметровой точности позволило использовать результаты этих измерений для решения задач геофизики. Полученные скорости смещения на различных континентах дают количественные оценки для теории тектоники плит, эффектов внутриконтинентальных смещений и деформаций, связанных с сейсмическим процессом. Картина смещений для Азии до недавнего времени строилась по геологическим данным [Zonenshain & Savostin, 1981; Peltzer, 1988; Peltzer&Tapponnier, 1988; Peltzer&Saucier, 1996], а в последние десятилетия методами GPS геодезии получены количественные оценки для Китая, Монголии и Тянь-Шаня [Зубович, 2006, Calais et al., 2003]. В этих результатах также отражаются процессы косейсмических подвижек, постсейсмических течений и раздвижение рифтовой впадины оз. Байкал [Саныдав и др., 1999, 2005; Calais et al., 2006]. Для территории Горного Алтая, связывающей отдельные регионы центральной Азии до 2000 г. таких измерений не проводилось. Определение величины косейсмических смещений, их распределение в пространстве и во времени является важной задачей геофизики и позволяет разрабатывать модели землетрясений [Гольдин, 2004, 2005; Тимофеев 2006; Добровольский, 1991]. Данные о косейсмических смещениях получены методами космической геодезии в различных регионах Земли [Burgmann et al., 2001; Kogan et al., 2003; Стеблов, 2004; Прытков, 2008]. Изучение поля скоростей смещений по сети, охватывающей регион, позволяет переходить к ряду классических задач геофизики - определению глубины разрыва, оценкам деформаций, сейсмического момента и магнитуды землетрясения.
Цель работы: установить закономерности распределения и природу полей смещений и деформаций Горного Алтая, связанных с сильным землетрясением и современными тектоническими силами.
Задача работы: определить параметры Чуйского землетрясения на основе экспериментальных GPS данных, полученных по сети Горного Алтая, выделить тектоническую составляющую современных движений Горного Алтая.
Решение задачи проводилось в несколько этапов:
Используя имеющуюся геолого-геофизическую информацию по Алтае-Саянскому региону, определена конфигурация сети GPS-измерений.
Проводятся ежегодные GPS-измерения по Алтае-Саянской сети в соответствии с технологией, принятой в мировой практике.
Определено поле 3D смещений для региона Горный Алтай и его окружения, в периоды перед, в момент и после Чуйского землетрясения.
Проведен анализ существующих моделей смещений земной коры Азии.
Смоделированы 2D смещения, с использованием упругой модели.
По экспериментальным данным определены параметры сейсмического разрыва (величина подвижки, глубина разрыва и его протяженность, сейсмический момент и магнитуда землетрясения).
Смоделированы 3D смещения, проведено сравнение с экспериментально полученными полями.
Фактический материал, методы исследований и аппаратура
GPS данные постоянной станции NVSK за период 2000-2008 гг. (Новосибирск, ИНГГ СО РАН, Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Запреева Е.А.)
GPS данные 25 постоянных мировых станций международной геодинамической сети IGS, предоставленные центром хранения и обработки GPS данных SOP AC (USA).
Экспериментальные GPS данные, полученные при активном участии автора в период ежегодных полевых экспедиций в регионе Горный Алтай, с 2000 г. по 2008 г.
Сейсмологическая информация, полученная по району Горного Алтая в Геофизической службе СО РАН и мировых центрах обработки сейсмологической информации USGS (USA), за период 2000 - 2008 гг.
Теоретическими основами решения научной задачи являются: модели плитного движения Евразии (NUVEL-NNR-1A, APKIM2000, AR-IR-2006); теория преобразования координат - геоцентрическая - географическая -локальная; теория упругой отдачи Рейда; статическая задача теории упругости для разломов со смещением по простиранию, при различных начальных и граничных условиях (2D); аналитическое ЗО-решение с разнонаправленными смещениями по разрыву.
Основным методом исследования является эксперимент, построенный на измерениях высокоточной аппаратурой GPS на 20 пунктах, расположенных в регионе Горный Алтай, с привлечением материалов сейсмологических и геоморфологических исследований; анализ GPS данных с применением алгоритма уравнивания сети методом наименьших квадратов, применяемым для оценки орбитальных параметров спутников, фазовых неоднозначностей и ковариационных матриц положений станций, используемых далее для оценки смещений станций с помощью фильтра Кальмана; метод сравнительного анализа полученных результатов с известными данными радарной спутниковой съемки InSAR.
Экспериментальные данные были получены с помощью комплекта двухчастотных GPS-приемников Trimble 4700 и Sokkia Radian GePos 24.
Для обработки данных использовался набор программных средств: RemoteControUer, Gpload, GPSurvey (Trimble software, 2000); Gamit/GLOBK (King, 2000; T.Herring, 1995); Matlab 7.0.1 R14 SP1 (The MathWorks Inc., 1984-2008); пакет обработки для Matlab Coulomb 3.1.09 (Shinji Toda, Jian Lin, Ross Stein, Volkan Sevilgen, 2009) с использованием ОС Windows, Linux RedHat.
Защищаемые научные результаты:
Впервые для Горного Алтая получено поле ЗБ-смещений перед, в момент и после крупного землетрясения (Чуйское землетрясение), определены особенности полей на различных этапах, выделена тектоническая составляющая современных движений Горного Алтая (2 мм/год на СЗ).
Используя упругую модель смещений и экспериментальные GPS данные, полученные в зоне землетрясения, получена оценка глубины сейсмического разрыва (до 15 км), протяженности разрыва (140 км), величины смещений на разрыве (2 м), сейсмического момента (1020 Н-м) и магнитуды (7.2) Чуйского землетрясения.
Научная новизна и личный вклад
Впервые в Западной Сибири построена и запущена базовая GPS станция NVSK (DOMES 12319М001) в Новосибирске, метрологического уровня, введенная в международную геодинамическую сеть постоянных станций IGS с 2000 г. На станции впервые получены значения смещения в географических координатах, относительно центра Земли: -2,27±0,06 мм/год на север, 25,72±0,09 мм/год на восток, -0,13±0,19 мм/год по высоте. С привлечением данных этой станции протестированы модели плитного вращения Евразии NUVEL-NNR-1A и APKIM2000, получены отклонения (±2 мм) от существующих моделей. С привлечением данных по постоянным станциям Урала и Сибири построена модель плитного движения Евразии AR-IR-2006, с минимальным отклонением (±0,2 мм) от экспериментальных данных севера Евразии.
Впервые получены данные по ЗЭ-смещениям в эпоху перед крупным землетрясением на Горном Алтае (2000-2003 гг.), в которых выявлены аномалии в распределении скоростей современных движений земной коры. Изменение ориентации скоростей горизонтальных движений выделено в зоне будущего землетрясения. В поле скоростей Горного Алтая проявляется как компонента СВ смещения, проявляющаяся на пунктах Тибета (Лхаса), западного Китая (Урумчи) и северо-западной Монголии, так и компонента СЗ смещения, отмеченная также на прилегающей территории Восточного Казахстана. Величины смещений для территории Горного Алтая составляют 0.2ч-4 мм в год, и только на юге скорости возрастают до 5-Я0 мм.
Впервые получено поле косейсмических смещений для Горного Алтая (2003-2004 гг.), что позволило выделить горизонтальные смещения до 350 мм в 15 км от эпицентра Чуйского землетрясения. Вертикальные смещения пунктов составили 10-ь30 мм. Распределения смещений после землетрясения (правосторонний сдвиг в эпицентральной части), затухание смещений с увеличением расстояния от разрыва, особенности поля скоростей до события приводят к выбору модели упругой отдачи для описания смещений в эпицентральной зоне. Экспериментальные результаты и 2В-модельные соотношения позволили определить: ориентацию разрыва (140 N ± 15е), величину смещения по линии разрыва (2 метра), глубину разрыва (от 5 до 15
км в разных частях эпицентральной зоны); сделать оценку сдвиговых напряжений в 4 МПа. ЗБ-моделирование позволило оценить: протяженность разрыва (140 км), сейсмический момент (1020 Н-м) и магнитуду (7,2) Чуйского землетрясения. Измеримые смещения земной коры охватывают территорию с размерами в несколько сотен километров. Деформации земной коры, снятые при землетрясении в зоне до 100 км достигают единиц на 10~6. Выделено поле постсейсмических смещений Горного Алтая (2004-2007 гг.). Впервые получено поле тектонических смещений Горного Алтая (2000-2007 гг.).
Научная и практическая значимость
Впервые получены значения координат и скоростей пунктов геодинамической сети Алтая, являются метрологической основой для развития геофизических исследований. Полученные результаты могут использоваться для уточнения и построения моделей смещений и деформирования зоны активной деформации юга Сибири, развития теории прогноза землетрясений, структурных исследований земной коры.
Впервые полученные координаты и скорости пунктов, являясь высокоточной основой, могут быть использованы для повышения точности рядовых геодезических измерений в данном регионе, что имеет большое значение для развития геофизических, картографических, кадастровых, инженерно-изыскательских, дорожно-строительных работ.
Апробация работы и публикации
Основные результаты исследований неоднократно докладывались на российских и международных конференциях: «Геофизика-2001», Новосибирск; «Проблемы региональной геофизики» 2001, Новосибирск; «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов», 2002, Бишкек, Киргизия; «Asian-Pacific Space Geodynamics» Project (APSG-2002, 2005, 2006, 2008) Иркутск, Hong Kong, Jeju, South Korea, Новосибирск; «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков», 2002, Иркутск; «Современные проблемы геодезии и оптики», 2003, Новосибирск; Сибирская конференция молодых ученых по Наукам о Земле, 2004, 2006, Новосибирск; «Современная геодинамика и сейсмичность Центральной Азии, фундаментальные и прикладные аспекты», 2005, Иркутск; «Активный геофизический мониторинг литосферы Земли», 2005, Новосибирск; ГЕО-СИБИРЬ-2006, 2007, 2008, Новосибирск; XL, XLI Тектоническое совещание 2007, 2008, Москва; «Трофимуковские чтения», 2007, 2008, 2009, Новосибирск; «New Challenges in Earth's Geodynamics» (ETS-2008), Jena, Germany.
Результаты неоднократно обсуждались на заседаниях лаборатории естественных геофизических полей и лаборатории физических проблем геофизики Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН.
По теме диссертации автором опубликовано 52 работы, в том числе 7 в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из 3 глав, введения и заключения. Общий объём работы составляет 151 страница, в том числе 19 таблиц , 70 рисунков и списка литературы из 130 наименований.
Благодарности. Автор выражает свою искреннюю благодарность за постановку задачи, обсуждение результатов своему научному руководителю д.ф.-м.н. Тимофееву В.Ю., а также академику Гольдину СВ., академику Эпову М.И., д.г.-м.н. Дучкову Д.Г., к.г.-м.н. Дядькову П.Г., д.т.н. Ельцову И.Н. за внимание и поддержку при выполнении работы.
Системы отсчета, модели твердотельного движения тектонических плит и определение смещений земной поверхности отдельных регионов Земли
Современные методы изучения кинематики земной коры, включающие наземный мониторинг медленных движений средствами космической геодезии различных модификаций с естественными и искусственными источниками сигнала, позволяют получить данные, необходимые для построения экспериментальных моделей движения, литосферных блоков и оценки динамических характеристик земной.коры. Начало современного этапа геодинамического мониторинга положено наблюдениями смещений методом сверхдлиннобазисной радиоинтерферометрии (VLBI). Метод позволяет измерять разность времен прибытия на два и более радиотелескопа (антенны диаметром 25 метров) сигнала с частотой 18 Ггц от экстрагалактических объектов -квазаров (до 80 источников). Эта разность зависит от ориентации источника в пространстве и длины хорды соединяющей два телескопа. В качестве измерительной аппаратуры используются двухчастотные криогенные приёмники и гидрогенные мазеры с точностью определения времени 3-Ю"14 секунды [Boucher С. et al., 1999; Annual report, 1997] (рис.1.1).
Сверхдлиннобазисная радиоинтерферометрия(УЬВ1, Very Long Base Interpherometry) - это геометрический метод. Он измеряет временную задержку между прибытием на две наземных антенны фронта радиоволны от излучения квазара. Используя большое количество измерений временных задержек от многих квазаров, наблюдаемых на глобальной сети антенн, VLBI определяет инерциальную систему координат, задаваемую по квазарам и при одновременном точном положением антенн на Земле. Временная задержка определяется с точностью до нескольких пикосекунд, Метод VLBI. Время закладки: 1975-1984, источники сигнала: квазары (681 объект), количество станций приема на Земле специальная астрономическая обсерватория. Схема работы метода сверхдлиннобазисной радиоинтерферометрии. Приёмники - астрономические антенны диаметром 25-30 метров, криогенный блок, время определяется с точностью до десять в минус четырнадцатой секунды. поэтому VLBI дает относительное положение антенны с точностью до нескольких миллиметров, и координаты положения квазаров до тысячных угловой секунды. Так как антенны зафиксированы на Земле, их положение отражает мгновенную ориентацию Земли в инерциальной системе координат. Относительные изменения положения антенн по серии измерений показывают тектоническое движение плит, региональные деформации, и локальные поднятия или опускания поверхности Земли [Argus & Gordon, 1991; Drewes, 1998; Boucher С. et al., 2001].
История развития VLBI насчитывает несколько десятилетий, включая очень успешный проект Коровой Динамики (Crustal Dynamic project), во время которого были сделаны первые точные определения скоростей движения тектонических плит Земли. В настоящее время VLBI-наблюдения поддерживаются более чем 40 организациями в 17 странах (в России - Институт Прикладной Астрономии РАН (рис. 1.2)). VLBI метод определяет с разной точностью геоцентрическую относительную систему координат (антенны расположены на Земле), звездную относительную систему координат (положение квазаров на звездном небе), и ориентацию Земли в пространстве. Развитие VLBI технологии связано с усовершенствованием техники измерения, исследованием спокойной атмосферы, и интеграцией с другими методами космической геодезии. Ученые уточняют геофизические модели ориентации Земли и коровых движений по измерениям, проведенным методом VLBI.
В 2005 году запущена третья VLBI станция (Бодары, Тункинская долина, БРЗ), что наряду со станциями на Кольском полуострове и на Северном Кавказе составляет треугольник российских станций
Первая антенна сверхдлиннобазисной радиоинтерферометрии в Сибири, установленной на обсерватории Бодары.
Первый геодинамический проект (CDP), включающий в себя VLBI-измерения и SLR-определения (Satellite laser ranging), был начат в 1979 г., а закончен в 1991 г. (рис. 1.3. - 1.4.). Проект был направлен на определение скоростей движения главных тектонических плит путем многократных измерений длин базовых линий и их ориентации по нескольким пунктам-обсерваториям (около 10), горизонтальные скорости определялись с точностью 2 мм/год. В то же время были начаты и региональные измерения деформаций на западе Северной Америки, по сети из пунктов в Калифорнии, в зоне разлома Сан-Андреас [Savage & Prescott, 1978; Segall, 2002; Johnson & Segall, 2006].
Анализ моделей вращения Евразии, построение новой модели по последним экспериментальным данным. Задачи исследований
При анализе выявлена периодическая (годовая) компонента изменения длины линии с амплитудой порядка 5 мм. Возможной причиной изменения длины линии являются сезонные вариации атмосферного давления и уровня оз. Байкал, различные для пунктов «Иркутск» и «с/с Талая». Зафиксировано также систематическое изменение длины линии на 2 мм за двухлетний период измерений. Полученная годовая скорость смещения совпадает с данными сетевых измерений для пункта Слюдянка. Результаты работ подтвердили высокую инструментальную точность аппаратуры. Указанная линия вместе с пунктом «Листвянка» составили геодезический треугольник «Талая - Иркутск - Листвянка» (длина линий 76 км, 57 км и 89 км), на пунктах которого организованы ежегодные одновременные GPS измерения и абсолютные гравиметрические наблюдения гравиметром ГАБЛ-М [Арнаутов и др., 1994]
Конфигурация Алтае-Саянской GPS сети. Построение наблюдательной сети начинается с закладки пунктов измерений. Для этого выбирались участки, расположенные на различных блоках земной коры, с учетом расположения глубинных разломов. Эта работа координировалась сотрудниками ИГ СО РАН М.М. Бусловым и Е.В. Высоцким. При выборе мест закладки GPS пунктов учитывались наличие открытого горизонта, доступность пункта, состояние дорог, возможность непрерывных измерений на одной точке в течение 2-3 суток, с перекрытием во времени с 2-3 другими работающими станциями сети и базовой станцией. Пункты преимущественно закладывались на выходах коренных пород (рис. 2.3).
Карта района работ, показаны пункты наблюдений и их коды, приведен один из вариантов конфигурации разломов региона.
При измерениях использовалась только "жесткая" установка антенны. Основным элементом пункта является марка (металлический стержень с внутренней резьбой на верхнем конце), цементирующаяся вертикально в шпуре, пробуренном в коренной породе на глубину не менее 10-15 см. Во время измерений в эту марку ввинчивается стальной стержень длиной 200-мм, на который уже устанавливается антенна (рис. 2.4). Крепление антенны на штативе не использовалось из-за невозможности выполнить, с достаточной точностью, повторное размещение штатива (и антенны) над маркой. Непрерывные измерения проводятся в течение 2-3 суток на каждой точке с частотой опроса - раз в 30 сек. GPS приемник Trimble 4700, на сетевых пунктах используется с автономным питанием. Обработка данных проводится по программе GAMIT-GLOBK с использованием данных по постоянным станциям Евразии. Технология проведения GPS съёмок по геодинамической сети Проведение одновременных сетевых GPS измерений с помощью чеіьірех комплектов приемников Trimble 4700 Жесткая установка GPS антенны TRM 33429.00+GP на коренных породах Рис. 2.4. Закладка пунктов и режим наблюдений. Жесткая центровка.
По указанной технологии, в мае 2000 г. было заложено 14 пунктов GPS. В мае 2001 г. два пункта были перестроены с использованием применяемой в классической геодезии технологии закладки глубинных реперов и определены четыре новых пункта. Таким образом, в 2001 году в западной части Алтае-Саянской области существовала сеть из 18 пунктов GPS (одна постоянная станция и 17 пунктов ежегодных наблюдений). Сведения о пунктах приведены в таблице 2.1. Северные станции сети (NVSK и KRUT) расположены на равнине, в зоне сочленения Западно-Сибирской плиты и Алтае-Саянской области. Пункт ELTS находится в пределах Салаирского кряжа, пункты ANUI и SOLO заложены в предгорной зоне Алтая.
Чтобы ослабить, и может быть даже исключить, сезонные вариации горизонтальных и вертикальных движений земной коры (рис. 2.2), рекомендуется высокоточные сетевые измерения проводить ежегодно в одно и то же время. Первые измерения по заложенным точкам были проведены в июле-августе 2000 г., повторные наблюдениям удалось выполнить в тот же период 2001 г. Одновременно при измерениях использовалось три GPS-приемника Trimble 4700, один, комплект аппаратуры работал на постоянной станции-[Тимофеев и др., 2003].
2.2. Современное поле смещений земной коры Центральной Азии
Сети постоянных и временных станций, на территории центральной и южной Азии, для измерений с использованием различных модификаций методов космической геодезии развиваются с начала девяностых годов прошлого века. В настоящее время сети станций охватывают территорию Киргизии, Казахстана, Российской Федерации, Монголии, Китая и Индии. Для определения положения на основной части станции используется GPS технология, а также методы VLBI, DORIS и SLR. Исследования обычно проводятся в рамках международных и национальных научных проектов. Так, Алтайская геодинамическая сеть была заложена в 2000 году в рамках международного проекта ИНТАС №97-30874 [Calais, 2000, 2002]. Она объединила сети Тянь-Шаня (Киргизия, Восточный Казахстан) с сетями Саян, Байкальской рифтовой зоны, Монголии и; Китая. Алтайская геодинамическая сеть, простирающаяся от Новосибирска до монгольской границы, на конец 2003 годов насчитывала 21 пункт, включая одну базовую постоянную станцию. В целом, она охватывает территорию от 49 градуса на юге до 55 градуса на севере и от 81 градуса на западе до 92 градуса на востоке и включает структурные элементы Горного Алтая и его окружения. Точность полученных результатов при использовании геодезических двухчастотных приемников TRIMBLE 4700 при одновременном многосуточном сетевом опросе и последующей обработке может достигать десятых долей миллиметра. Перечень пунктов сети, с координатами на конец 2003 года представлен в таблице 2.1. Высоты пунктов измерений составляют от десятков метров на севере в равнинной части до 2.5 тысяч метров на юге исследуемой территории.
Обработка результатов измерений по сети проводится с использованием специальных программ относительно постоянных станций Евразии. Высокая точность достигается после учета различных поправок (приливных, за движение полюса и спутниковых) в процессе постобработки данных. Далее получаем скорости смещения станций, которые включают скорости смещения плиты в целом (т.е. вращение на сфере) и аномалии скоростей, связанные со смещениями и деформированием земной коры в тектонически активных регионах. Аномальные скорости получаем вычитанием эффекта движения плиты, при этом используется либо модель, вращения плиты, либо решение по близкой постоянной станции. В последнем случае полагаем, что пункт отражает движение Евроазиатской плиты в этом регионе и минимально деформируется. Проиллюстрируем последние положения на примере вычисления скорости движения постоянной станции NVSK в эпоху сентябрь 2000 года - октябрь 2001 года [Roosbeek & Bruynix, 2002]. Положение постоянных станций Азии, относительно которых проводились определения, показано на рис.2.5а. При анализе в различных научных центрах используются специальные программные пакеты, наиболее распространенные GAMIT-GLOBK и BERNESE. Станции включены в систему IGS (International GPS Service), а положение станции NVSK рассматривается в системе ITRF2000. Первый анализ проводился по программе BERNESE 4.2 для периода июль 2000 - август 2002 [Тимофеев и др., 2006].
Поля смещений земной коры Горного Алтая до землетрясения
В этом поле получены следующие закономерности - для юго-восточной части Горного Алтая выделены смещения на северо-восток со скоростью 3-11 мм в год. Для центральной и западной частей Горного Алтая векторы скоростей направлены на северо-запад, величины скоростей 1-3 мм в год. Разделение направлений векторов смещений происходит в зоне будущего Чуйского землетрясения. Анализ составляющей смещений на север по профилю Лхаса-Новосибирск показывает падение скорости, начиная с зоны будущего землетрясения.
Для вертикальных скоростей смещений (2000-2003 гг.) выделено увеличение скорости к югу до 4 мм в год, к эпицентральной зоне будущего землетрясения. В будущей эпицентральной зоне по профилю Укок-Чаган -Узун-Язула зарегистрировано опускание. Из анализа данных нивелирования эпохи 1938-1978 гг. к югу отмечено опускание со скоростью до 8 мм в год (профиль вдоль Чуйского тракта). В эпоху 1978-2003 гг. по профилю Кызыл - Кош-Агач зарегистрировано поднятие со скорость до 5 мм в год, что соответствует нашим GPS данным (2000-2003 гг.). Пересчёт поля смещений в поле деформаций позволяет выделить аномальное поведение поля в южной части Горного Алтая для сдвиговой компоненты, что соответствует накоплению деформаций на будущем разрыве в эпицентральной зоне.
Косейсмические смещения - это скачок положения точек связанный с движениями по разрыву поверхности в эпицентральной зоне землетрясения. Впервые изучение пространственного распределения смещений по территории с размерами до сотен километров вокруг эпицентра оказалось возможным с развитием методов космической геодезии. После Чуйского землетрясения опрос по пунктам геодинамической сети Горного Алтая проводился в два этапа - весной и летом 2004 года. Также в 2004 году сеть была дополнена региональными пунктами постоянных наблюдений (рис. 3.1).
В мае после схода снежного покрова удалось провести измерения на двух пунктах (KURA, CHAG), расположенных в эпицентральной области и на одном (ARTB) в 200 км севернее. Результаты измерений представлены на рис. 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 и 3.6. Было зарегистрировано смещение на юго-восток пунктов, расположенных к востоку от эпицентра землетрясения [URL: http://earthquake.usgs.gOv/eqcenter/eqinthenews/2003/uszfak/l.
Вертикальное смешение 4 мм в год (2000-2001-2002-2003 гг.) вверх (от центра Земли) і Рис. 3.2. Смещение пункта Курай июль 2001 г. - май 2004 г. относительно центра Земли (сверху вниз: по широте, по долготе, по вертикали). Зарегистрировано смещение на юго-восток в эпоху Чуйского землетрясения.
Горизонтальные смещения пункта Артыбаш с июля 2001 г. по май 2004 г. относительно Новосибирска (пункт NVSK). В пределах ошибки измерений (5+10 мм) отсутствует смещение в эпоху Чуйского землетрясения (27 сентября 2003 года).
В июле 2004 года была опрошена вся Алтайская часть сети. Максимальная величина косейсмических смещений была получена после обработки результатов для станций в 100 километровой зоне вблизи эпицентральной области (рис. 3.7, 3.8, таблицы 3.1, 3.2, 3.3). Результаты обработки майских и июльских измерений с помощью программ анализа GAM1T-GLOBK совпадают в переделах 5 мм.
Участок линии нивелирования, на котором выполнялись наблюдения до и после землетрясения. Черными линиями показаны тектонические разломы. По работе [Мазуров, 2007].
По значениям вертикальных смещений реперов видно, что за период с 2003 по 2004 год произошло поднятие на участке грунтовый репер 41 -фундаментальный репер 384. Максимальное значение 18.3 мм относится к грунтовому реперу 41. По мере приближения к п.Кош-Агач величина поднятия реперов уменьшалась. В целом участок поднятия реперов соответствует Чуйской впадине (рис. 3.11). В этом случае нельзя исключить различную реакцию на землетрясение для осадочных и скальных реперов.
Косейсмические смещения для станций сети в дальней зоне не превышают 10 мм (таблица 3.1). По результатам для косейсмических смещений в зоне разрыва выделяется правостороннее смещение на разломе. Используя ориентацию горизонтального вектора смещений для пунктов CHAG и KURA, максимально близких к эпицентру можно вычислить положение плоскости разрыва. Исходя из предположения, что смещение параллельно положению разрыва, его ориентация по нашим определениям оказывается 140N ±15.
По эффектам первого порядка, отражающим правосторонний сдвиг, можно предложить для интерпретации смещений модель упругой отдачи на вертикальном разломе. Эффекты на порядок меньшие (десятки миллиметров) как для горизонтальных, так и для вертикальных смещений отражают осложняющие эффекты второго порядка (кривизну линии разрыва и наличие на отдельных участках надвиговой компоненты, известное из анализа афтершоков). Наличие перед землетрясением к северу и северо-западу от эпицентра смещений на северо-запад (рис. 3.9), а после события - смещений на юго-восток северного крыла и смещение на северо-запад южного крыла разрыва, (рис. 3.8) прямо указывает на возможность использования модели упругой отдачи. Смещения после землетрясения вызваны их блокировкой и деформированием среды в зоне будущего разрыва (раздел 2.4). Так, если обратится в графику скоростей С-Ю перед событием (рис. 2.14), то дефицит скорости составляет около 5 мм в год. Рассматривая список сильных землетрясений, Алтае-Саянской области [Сейсмическое..., 1980], можно отметить, что предыдущее сильное землетрясение в пределах исследуемой области произошло приблизительно 250 лет назад (09.12.1761; М = 7.7; 50.0 с.ш., 90.0 в.д.). Оценка дефицита накопленных смещений на север составляет около 1.25 м или порядка 2 м в нодалыюй плоскости, что приблизительно соответствует
Определение параметров Кунь-Луньского землетрясения по данным радарной съемки InSAR
Получаем вертикальное смещение по краям разрыва сходное с данными эксперимента. 3D модель реализована в программном пакете Coulomb 3.1. [URL: http://quake.usgs.gov/research/deformation/modeling/], решения, полученные с его помощью для горизонтальных и вертикальных смещений, приведены на рис. 3.30 (а,б). Здесь же показаны экспериментальные данные по точкам.
Как видим из приведенных решений, в целом получено хорошее соответствие данных моделирования при параметрах смещений на разрыве: относительное смещение 2 метра, длина разрыва 140 км, ориентация и расположение разрыва 130N, положение эпицентра 49.999N, 87.856Е, глубина разрыва 10 километров. Полученные по району Чуйского землетрясения данные по радарной съёмке в эпохи перед и после землетрясения рассматривались в работах [Nissen et al., 2007; Barbot et al., 2008; Назарян, 2008]
Примеры интерферограмм и распределения смещений по первой работе приведены на рис.3.31 и 3.32. Следует отметить, что особенностью радарной съёмки является то, что кондиционные данные получаются только на отдельных участках изучаемого региона. Здесь должны отсутствовать растительность, территория являться плоской с отсутствием резко-пересеченных форм рельефа. Для зоны Чуйского землетрясения -это большие участки в Курайской и Чуйской впадинах. Как это отражено на рис. 3.31 протяженность изучаемой зоны 20-30 км. Затухание смещений по профилю ортогональному сейсмическому разрыву получено сходное с данными GPS съёмок. Преимуществом GPS метода является более широкая пространственная представительность результатов, а также то, что данные получены в одну эпоху с исключением сезонной компоненты. Ещё одним отличием наших результатов является то, что они получены на скальных реперах. Данные радарных съёмок представляют смещение осадочного чехла межгорных впадин. В работе [Назарян, 20086] рассматриваются данные радарных съёмок. По результатам, приведенным на рис.3.33 при этом моделирование смещений проводилось для отдельных сильных событий в эпоху Чуйского землетрясения, при разных параметрах очагов землетрясений.
Радарная интерферограмма по эпицентральной зоне Чуйского землетрясения. Показан профиль через зону разрыва АВ. Сплошной линией выделен закартированный разрыв на поверхности, штрих линия - осредненный разрыв, использованный при моделировании смещений.
Радарная интерферограмма по эпицентральной зоне Чуйского землетрясения. Показан рельеф, эпицентры главных событий, 1 и 2 - Курайская и Чуйская впадины. По работе [Назарян, 20086].
Моделирование горизонтальных смещений. Изолинии - по данным радарной съёмки, стрелки - модельные и экспериментальные оценки по нашим GPS данным. По работе [Назарян, 20086]. Изолинии в сантиметрах.
Сравнение этого анализа с нашими результатами приведено на рис.3.34, и в целом получено хорошее соответствие результатов. Моделирование смещений также проводилось по программам с использованием подхода Окада (упругое полупространство с ограниченным разрывом, плоскость разрыва расположена на разных глубинах). Ещё одним отличием от нашего подхода является то, что при моделировании применяется различная величина смещения вдоль разрыва (от 0.2 до 6 метров). Рассмотрим для сравнения данные, полученные для параметров Чуйского землетрясения, классическими сейсмологическими методами. В таблицах 3.6 и 3.7 приведены параметры Чуйского землетрясения. Разброс по координатам эпицентра 10-20 км. Средняя глубина по афтершокам - 9 км. Американский сейсмологический центр USGS - получена величина сейсмического момента М 0 = Ю20 Нм, длина разрыва 153 км, глубина 10 км, подвижка 2 метра. Полевые работы летом 2004 года - закартирован разрыв длиной 75 км, ширина максимум 20 км, средняя подвижка 2.5 м [Арефьев и др., 2006] (рис. 3.35).
Пространственное распределение разрыва на поверхности. Карта эпицентров землетрясений с невязкой RMC 0.2 с. Число событий равно 1578 (лето 2004 года). Треугольники - постоянные и временные станции. Сплошной линией показан разрыв, закартированный на поверхности [Арефьев и др., 2006]. Красной прерывистой линией показана осредненная линия разрыва, ориентация разрыва совпадает с ориентацией нодальной плоскости по сейсмологическим данным.
Наши измерения в эпоху после главных событий (2004-2007 гг.) позволили вычислить картину смещений. Она представлена на рис.3.33. Как видим, правосторонний сдвиг сохраняется, при этом скорость смещений падает до значений 3-6 мм в год. Рассмотрение эффекта постсейсмических смещений является отдельной сложной и интересной задачей и в данной работе она не рассматривается. Исключение эпицентральной зоны Чуйского землетрясения из анализа данных по Алтайской геодинамической сети (2000-2006 гг.) позволило получить картину тектонических смещений Горного Алтая (рис.3.36, таблица 3.8).
Постсейсмические смещения, правосторонний сдвиг (эпоха 2004-2006 гг.) по экспериментальным данным
Смещение пунктов Алтайской сети (2000-2006 гг.) относительно пункта Ануй, за исключением эпицентральной зоны Чуйского землетрясения. На правом рисунке приведена карта рельефа и вектор смещения на СЗ скорость 2 мм в год.
В результате вычислений получено значение вектора горизонтальных тектонических смещений центральной и западной частей Горного Алтая на северо-запад со скоростью около 2 мм в год при ошибке 0.2+0.4 мм (Рис.3.35). Для вертикальных движений (Таблица 3.9) получено нулевое среднее значение, при этом даже полученные отклонения от среднего для отдельных пунктов лежат в пределах ошибки наблюдений для пункта. Координаты пунктов и значения скоростей вертикальных движений относительно пункта Новосибирск определенных за период наблюдений 2000-2007 годы (пункты ART2 и UST2 с 2004 года).
