Введение к работе
Объектом исследования является афтершоковая область Чуйского землетрясения (Горный Алтай, 27.09.2003 г., Ms = 7.3) на предмет определения пространственно-временной структуры и особенностей поля тектонических напряжений в Чуйско-Курайской зоне.
Актуальность. Несмотря на то, что исследования структуры сейсмичности и напряженного состояния земной коры очаговых областей сильных землетрясений и высокосейсмичных регионов России берут начало со времен первых инструментальных наблюдений (с 40-х годов прошлого столетия) и изучены на высоком уровне известными учеными, однако только в последнее десятилетие с появлением высокоточной цифровой регистрирующей аппаратуры и развитием математических методов и современных комплексов программ цифровой обработки сейсмологических данных появилась реальная возможность получить сведения о геометрии и сегментации сейсмогенных областей, полях напряжений и деформаций на качественно новом уровне.
Исследования очаговых областей сильных землетрясений Алтае- Саянской области, несомненно, внесли ценный вклад в знания о строении, особенностях распространения и развития сейсмичности, но из-за редкой сети станций в регионе и сложности в проведении полевых наблюдений с временными станциями по причине труднодоступности мест очагов событий до начала 2000-х годов эпицентральные зоны изучены недостаточно детально.
Чуйское землетрясение 2003 г., сильнейшее в Алтае-Саянской горной области за полувековой период инструментальных наблюдений, и два повторных сильных события, произошедшие через несколько часов и дней, оказали весьма ощутимое сейсмическое воздействие на города юга Западной Сибири (Барнаул, Кемерово, Красноярск, Новосибирск, Томск и др.). Исследование этого землетрясения и его афтершокового процесса актуально для уточнения представлений о сейсмической опасности территории Алтае- Саянской горной области и прилегающих территорий, и особенно важно в связи с развитием в последнее десятилетие Горного Алтая как туристического края и здравницы всероссийского масштаба, поскольку строительство новых туристических комплексов, лыжных и спортивных баз, которое непременно будет сопровождаться строительством промышленных и гражданских объектов, ГЭС, ТЭЦ, современных высокоскоростных дорог, туннелей и мостов, без уточнения региональных особенностей в сейсмическом районировании и оценки возможного риска от землетрясений экономически невыгодно и потенциально опасно (возможны человеческие жертвы, разрушениями и т.д.).
Планируемое строительство целого каскада ГЭС на реках Алтая, в том числе в эпицентральной области исследуемого землетрясения, может вызвать развитие техногенной сейсмичности в добавление к сильной природной. В этих условиях становится крайне актуальной информация об особенностях протекания сейсмического процесса непосредственно в Чуйско-Курайской зоне Горного Алтая.
Цель исследования - существенно повысить знание о явлении разрушения горных пород под воздействием тектонических напряжений в условиях активизированного состояния (афтершоковый процесс).
Научные задачи:
-
По данным многолетнего мониторинга 2003-2012 гг. и последовательным применением к ним современных средств локации сейсмических событий (HYPOINVERSE-2000 и метод двойных разностей) определить структуру афтершоковой области Чуйского землетрясения 2003 г. и ее изменение во времени.
-
На основе данных о механизмах очагов афтершоков Чуйского землетрясения 2003 г. с использованием метода катакластического анализа реконструировать поле тектонических напряжений земной коры Чуйско-Курайской зоны с учетом энергетических, пространственных и временных характеристик событий и структуры сейсмичности.
Фактический материал, методы исследования.
Теоретической основой решения поставленных задач являются фундаментальные разработки известных сейсмологов, таких как Ю.В. Ризниченко, Н.В. Шебалин, М.В. Гзовский, О.И. Гущенко, Д.Н. Осокина, а также работы С.С. Арефьева, Ю.Л. Ребецкого, А.Ф. Еманова и др.
Фактической основой являются данные мониторинга 2003-2012 гг. в Чуйско-Курайской зоне Горного Алтая сейсмическими станциями Алтае- Саянской региональной сети, Алтайского сейсмологического полигона и особенно плотных сетей эпицентральных наблюдений на базе высокоточного цифрового оборудования, проводимого совместно Институтом нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН и Алтае-Саянским филиалом Геофизической службы СО РАН.
Определение положения гипоцентров землетрясений и их механизмов очагов осуществлялось с использованием современных программных комплексов и методов цифровой обработки данных, признанных мировым научным сообществом, таких как:
пакет программ HYPOINVERSE-2000 [Klein, 2002] для локации событий в рамках многослойной скоростной модели,
метод двойных разностей [Waldhauser and Ellsworth, 2000] для уточнения положения гипоцентров землетрясений,
пакет программ FPFIT [Reasenberg and Oppenheimer, 1985] для расчета и отображения фокальных механизмов.
Восстановление поля тектонических напряжений земной коры осуществлялось методом катакластического анализа [Ребецкий, 1999, 2001, 2007], являющимся одним из передовых в мире среди методов реконструкции напряженного состояния по сейсмологическим данным.
Математические расчеты, такие как значение плотности распределения афтершоков и суммарной сейсмической энергии, проводились с помощью пакета программ MatLab.
В работе широко используются возможности современных геоинформационных систем, таких как ArcVIEW и ArcGIS, и высокоточные цифровые модели рельефа на основе радарной топографической съемки SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) с пространственным разрешением 3х3" ().
Защищаемые научные результаты:
-
-
Блоковое строение эпицентральной зоны определяет пространственную структуру афтершоков. Крупные блоки: Чуйская впадина, Чаган-Узунский блок, два блока Курайской впадины определяют появление четырех элементов первого уровня, а более мелкие блоки увязываются с поэлементными особенностями афтершокового процесса второго уровня.
-
Вдоль магистральной подвижки, сформировавшейся при главном толчке Чуйского землетрясения, сейсмический процесс развивается прерывисто: существуют участки магистральной подвижки, в пределах которых основной разрыв и афтершоковая активность совпадают, и участки без афтершоков; а также обнаружены структуры ответвлений, уходящие в стороны.
-
По данным эпицентрального мониторинга 2003-2009 гг. установлено, что по проявлению в структуре сейсмичности два элемента первого уровня (на северо-западе Курайской впадины и Чаган-Узунский блок) стабильны в пространстве и времени, а два других (на северо-западной и юго-восточной границах Чаган-Узунского блока) со временем меняются, кратковременно активизируясь.
-
На основе данных о механизмах очагов 545 землетрясений в Чуйско- Курайской зоне за период 2003-2012 гг. установлена зависимость поля тектонических напряжений от энергии событий: поле, реконструируемое по афтершокам с 5.3 > Ms > 3.8, однородно по геодинамическому режиму (горизонтальный сдвиг) с преобладающей субмеридиональной тенденцией в направлении осей сжатия и субширотной - растяжения; по землетрясениям с 3.7 > Ms > 1.0 свойства поля зависят от временных и пространственных диапазонов данных осреднения: на фоне доминирующего геодинамического
режима горизонтального сдвига формируются режимы сжатия, сжатия со сдвигом и растяжения.
Новизна работы. Личный вклад.
-
-
-
На основе обработки данных сейсмологического мониторинга 20032012 гг. в Чуйско-Курайской зоне Горного Алтая плотными сетями сейсмических станций с помощью программы HYPOINVERSE-2000 рассчитаны положения гипоцентров более 48 тысяч событий, систематизированных в сводный каталог землетрясений.
-
По плотности распределения гипоцентров более 20 тысяч землетрясений с точностью определения по координатам и глубине менее 2 км и RMS < 0.3 сек. выявлены четыре элемента структуры афтершоковой области, соотносящихся с крупными тектоническими блоками.
-
По результатам переопределения гипоцентров 17 тысяч событий, уточненных методом двойных разностей, выявлена тонкая структура афтершоковой области, состоящая из более десятка подэлементов.
-
В результате сопоставления структуры афтершоковой области с тектоническим строением Чуйско-Курайской зоны выделены:
участки магистрального разлома, в пределах которых афтершоковый процесс совпадает с подэлементами структуры, и участки с пониженным уровнем сейсмической активности, являющиеся зонами пересечения магистрального разлома тектоническими нарушениями,
ответвления и подэлементы, отстоящие от основной афтершоковой области до нескольких километров в сторону горных хребтов;
По знакам первых вступлений с помощью программы FPFIT рассчитаны механизмы очагов 545 землетрясений в Чуйско-Курайской зоне в период 2003-2012 гг. в диапазоне магнитуд 7.3 > Ms > -0.9.
На основе параметров рассчитанных механизмов очагов с использованием метода катакластического анализа реконструировано поле тектонических напряжений афтершоковой области в зависимости от энергии событий.
По результатам реконструкции рассчитаны параметры поля напряжений для двух уровней:
субрегионального (по событиям с 5.3 > Ms > 3.8), характеризующегося режимом горизонтального сдвига с близгоризонтальными осями сжатия с3, ориентированными преимущественно субмеридионально;
локального (по землетрясениям с 3.7 > Ms > 1.0), изменяющегося в соответствии с блоковой структурой: на фоне доминирующего режима горизонтального сдвига отмечаются зоны с режимом горизонтального сжатия и сжатия с горизонтальным сдвигом на
северо-западной и юго-восточной границах Чаган-Узунского блока;
8. По результатам реконструкции поля тектонических напряжений
локального уровня для разных глубинных и временных интервалов
определено, что оно:
стабильно до глубин 10 км, глубже проявляется изменение в виде формирования новой зоны с геодинамическим режимом типа горизонтального сжатия и горизонтального сжатия со сдвигом вблизи границы Северо-Чуйского хребта и Чаган-Узунского блока и с исчезновением таковой в северо-западной части Южно- Чуйского хребта;
наиболее неоднородно в 2003 г. в начале афтершокового процесса (выявлены зоны с режимом горизонтального сдвига, сжатия и растяжения), а со временем наблюдается его выравнивание до режима, характерного для регионального и субрегионального уровней, - горизонтального сдвига.
Практическая значимость результатов. Выявленные особенности пространственной структуры и поля тектонических напряжений афтершоковой области сильного Чуйского землетрясения 2003 г. на разных масштабных уровнях, таких как уход афтершокового процесса от магистрального разрыва в сторону, пониженный уровень сейсмической активности в зонах пересечения магистрального разрыва тектоническими нарушениями, появление сейсмогенных зон, пространственно не связанных с основной областью распространения афтершоков и иерархичность поля тектонических напряжений, являются новыми данными, которые необходимо использовать для развития фундаментальных представлений в области физики очага землетрясений, а также для построения геодинамических моделей, обосновывающих тектонические внутриплитные процессы.
Рассчитанные параметры гипоцентров более 48 тысяч землетрясений в Чуйско-Курайской зоне Горного Алтая в 2003-2012 гг., систематизированные в сводный каталог и уточненные методом двойных разностей, являются уникальными по точности и длительности наблюдений данными и могут быть успешно использованы в своих работах как учеными при верификации и сопоставлении с другими геолого-геофизическими данными для этого района, так и экспертами при принятии решений о капитальном строительстве промышленных и гражданских объектов и при определении устойчивости техногенных сооружений в связи с сейсмическим риском на территории Горного Алтая и Алтайского края.
Апробация. Результаты работы докладывались и получили одобрение специалистами на восьми международных (Боровое, Казахстан, 2004, 2006, 2008; Бишкек, Кыргызстан, 2005; Улан-Батор, Монголия, 2007; Херсонес, Греция, 2008; Цукуба, Япония, 2008; Москва, 2012), девяти региональных и всероссийских (Новосибирск, 2005, 2006, 2007, 2008; Горно-Алтайск, 2006; Сочи, 2007; пос. Черный Ануй, Республика Горный Алтай, 2008, 2012; Москва, 2012) семинарах, конференциях и симпозиумах; а также на студенческих и молодежных конференциях и школах молодых ученых (Новосибирск, 2004, 2005, 2008; Пермь, 2005, 2007; Москва, 2011) и международных учебных курсах по сейсмологии (Бишкек, Кыргызстан, 2006; Куала-Лумпур, Малайзия, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликована 61 работа, из которых 1 глава в монографии, 9 статей в журналах из Перечня ВАК, 13 - в ведущих отечественных и зарубежных изданиях и тематических сборниках, 15 - в материалах конференций, а также 23 тезиса докладов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 180 наименований. Полный объем диссертации 154 страницы, включая 47 рисунков и 5 таблиц.
Похожие диссертации на Пространственно-временная структура и поле тектонических напряжений афтершоковой области Чуйского землетрясения 2003 г. : по данным мониторинга 2003-2012 гг.
-
-
-
