Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информационно техническое обеспечение 13
1.1 База сейсмологических данных 13
1.2 Геоинформационные системы в сейсмологии 15
1.2.1 Программное обеспечение 15
1.2.2 Карты, топография, цифровые модели рельефа . 16
1.2.3 Геологические пространственные данные 19
Глава 2. Сейсмические активизации алтая и саян 21
2.1 Пространственно - временная структура сейсмичности Алтае-Саянского региона по картам суммарной выделившейся сейсмической энергии 24
2.2 Пространственно-временной анализ сейсмичности 31
2.3 Особенности крупнейших активизаций 46
2.3.1 Бусингольское землетрясение 47
2.3.2 Урег-Нурское землетрясение 59
2.3.3 Зайсанское землетрясение 66
2.4 Основные особенности сейсмического режима Алтае-Саянской горной области 67
Глава 3. Детальная структура афтершокового процесса чуйского землетрясения . 71
3.1 Сейсмичность Чуйско-Курайской зоны за инструментальный период 72
3.2 Определение положения гипоцентров с использованием слоистой скоростной модели 77
3.3 Фокальные механизмы афтершоков 83
3.4 О точности определения параметров гипоцентра с использованием слоистой скоростной модели 87
3.5 Применение метода двойных разностей 95
3.5.1 Метод двойных разностей для определения относительного положения землетрясений 96
3.5.2 Переопределение положения афтершоков Чуйского землетрясения 99
3.6 Сейсмическая томография с двойными разностями . 102
3.6.1 Метод сейсмической томографии с двойными разностями 102
3.6.2 Применение DD-томографии к афтершокам Чуйского землетрясения 104
3.7 Анализ афтершокового процесса 113
3.7.1 Распределение глубин афтершоков 114
3.7.2 Анализ каталога фокальных механизмов 117
3.7.3 Развитие активизации и северо-западный фланг активизации 127
3.8 Верификация сдвиговой модели неотектонической структуры Алтая по результатам интерпретации данных сейсмической активизации 2003 г. 131
3.9 Выводы 137
Заключение 141
Литература
- Геоинформационные системы в сейсмологии
- Пространственно-временной анализ сейсмичности
- Определение положения гипоцентров с использованием слоистой скоростной модели
- Сейсмическая томография с двойными разностями
Введение к работе
Объект исследования — сейсмические активизации и весь процесс сейсмичности Алтае-Саянской области и их связь с блоковой структурой земной коры.
Актуальность исследований. Крупнейшие землетрясения наносят огромный урон народному хозяйству и нередко приводят к гибели людей. В Алтае-Саянской области за исторически обозримое время происходили землетрясения с магнитудами 7-^8. Изучение условий возникновения крупнейших землетрясений и сейсмических активизаций, вызванных ими в Алтае-Саянской области, представляет интерес для определения основных закономерностей сейсмического процесса, для совершенствования учета региональных особенностей в сейсмическом районировании территории, для обоснованного определения зон ВОЗ (возможных очагов землетрясений), а также для разработки методик среднесрочного прогноза землетрясений в регионе.
Данное исследование по времени совпало с периодом технического перевооружения сети сейсмических станций Алтае-Саянской области. Происходила замена аналоговых станций на цифровые, формировался компьютеризированный региональный центр, появились портативные цифровые станции для организации временных сейсмических сетей. Новые технические возможности сделали актуальным рассмотрение сейсмического процесса Алтае-Саянской области на новом уровне с применением компьютерной обработки данных, возможностей ГИС систем, с использованием информации международных банков данных, а также с использованием сетей временных станций для уточнения сейсмического режима отдельных геологических структур.
Формирование в 2002 году локальной сети станций Алтайского сейсмологического полигона в Чуйско-Курайской зоне и серия экспериментов с установкой временных локальных сетей станций в этой зоне до и после Чуйского землетрясения 27.09.2003 (Ms = 7.3) создали уникальные возможности по исследованию крупнейшей активизации за инструментальный период наблюдений. Детальное изучение афтершокового процесса и связей локальных особенностей с блоковым строением эпицентралыюй области позволяет глубже понимать тектонический процесс. Высокоточные данные локальных сейсмических сетей крайне важны для совершенствования теоретических моделей очага землетрясения и для разработки концепций тектонического развития региона.
Полученные высокоточные данные об афтершоковом процессе по материалам плотных сетей станций сделали возможным применение новых методик обработки материалов региональной сейсмической сети Алтае-Саянской области, определение глубин землетрясений и использование более точных скоростных моделей земной коры. Актуальным стало использование методик обработки, обеспечивающих максимальную точность определений гипоцентров и фокальных механизмов по данным плотных сетей.
Сейсмичность в Алтае-Саянской области — это одно из проявлений тектонического процесса в этом регионе, и весьма актуальны сопоставления данных о сейсмичности с данными о других процессах, тесно связанных с тектоникой. Отражением новейших тектонических процессов является рельеф местности. В последние годы в сети Интернет стали доступны цифровые модели рельефа, такие как GLOBE, высокоточные модели на основе интерферометрии спутниковых радаров (SRTM, пространственное горизонтальное разрешение около 90 м); были созданы карты активных разломов, разработано программное обеспечение, позволяющее проводить анализ пространственных данных на качественно новом уровне. Однако совместного анализа различных проявлений тектонических процессов, таких как сейсмичность, рельеф (цифровые модели рельефа) и разломная структура, для Алтая и Саян на детальном уровне не проводилось.
Таким образом, актуальность работы определяется возможностью ис-
пользования современных методик получения и обработки сейсмических данных, результаты которых с высокой степенью точности отражают детали протекания тектонических процессов, необходимостью поиска новых методов анализа сейсмических активизаций и сейсмического процесса в пространстве и времени с учетом рельефа и блоковой структуры.
Цель исследований — на основе экспериментальных данных о землетрясениях в Алтае-Саянской области определить характер развития сейсмических активизаций с учетом рельефа и блоковой структуры.
Основные задачи исследований:
Определить роль регионального сжатия и блокового строения в формировании сейсмичности Алтае-Саянской области.
Определить детальную структуру сейсмической активизации Чуй-ского землетрясения.
Фактический материал, методы исследования. Основой решения поставленных задач является комплексная обработка сейсмологической и другой геолого-геофизической информации на базе высокопроизводительного компьютеризированного регионального центра сбора и обработки сейсмологической информации с использованием реляционных баз данных, ГИС-систем и программ, позволяющих с помощью методов пространственной цифровой обработки данных, методов линейной алгебры и методов статистической оценки точности результатов извлекать полезную ипформацию из сложной по структуре связей, объемной информации о сейсмичности и геодинамических процессах в регионе.
Фактическим материалом является большой объем разнородной геолого-геофизической информации. Это каталоги землетрясений Алтае-Саянской области инструментального периода (с 1963 года), данные высокоточных цифровых сейсмических станций региональной сети Алтае-Саянской области (сеть переоснащена в 1997-2000 годы), материалы экспедиционных исследований автора с временно устанавливаемыми цифровыми сейсмологическими станциями в Чуйскс-Курайской зоне в 2002 году для изучения землетрясений малых энергий, а в 2003 - 2005 годах для изучения афтершокового процесса Чуйского землетрясения, а также данные
локальной сети цифровых станций Алтайского сейсмологического полигона, в формировании которой автор активно участвует.
В работе широко используются интернет-ресурсы как России, так и мирового сообщества, с базами данных о рельефе местности, информация о регистрации землетрясений в Алтае-Саянекой области сетями иностранных государств, в том числе Казахстана, Монголии, Непала, сетью IRIS, и др., математическое обеспечение для обработки сейсмологических данных, признанное мировым сообществом и выставленное на сайтах крупных сейсмологических центров.
В работе используются методы формирования реляционных баз данных в среде Oracle, MySQL. Применяются возможности геоинформационных систем. Для построения гипоцентров землетрясений используются улучшенные слоистые скоростные модели земной коры, применяется метод сейсмической томографии, методы анализа точности определений.
Для массовой обработки афтершоков Чуйского землетрясения в рамках данного исследования применялись следующие современные методики обработки сейсмических данных: определение координат гипоцентров сейсмических событий с использованием слоистой скоростной модели земной коры; построение фокальных механизмов и анализ направлений осей сжатия и растяжения; относительная высокоточная локализация сейсмических событий с использованием метода двойных разностей; итерационный алгоритм сейсмической томографии с двойными разностями (DD-томография), осуществляющий совместное уточнение скоростной модели и координат гипоцентров событий.
Защищаемые научные положения и научные результаты:
Фоновая сейсмичность Алтае-Саянской области с увеличением временных интервалов анализа упорядочивается в соответствии с блоковой структурой, концентрируясь преимущественно в горном обрамлении впадин. Наблюдается иерархия тектонически активных зон по скорости проявления в фоновой сейсмичности.
В Алтае-Саянской области сейсмические активизации, сформировавшиеся после крупных землетрясений, представляют собой сложное
явление и, как правило, не укладываются в рамки афтершокового процесса, соответствующего закону Омори. Развитие афтершокового процесса осложнено активизацией пространственно разнесенных элементов блоковой структуры эпицентралыюй области и является наложением нескольких отдельных сейсмических процессов, образующих одну активизацию.
При сейсмической активизации, вызванной Чуйским землетрясением,
преимущественно происходит разрушение окраинных частей ЧуЙской и Курайской впадин. Выявлена поэлементная структура афтершокового процесса и существование фаз развития, увязывающихся с блоковым строением. Обнаружено существование аномалий повышенной скорости продольных волн в Чаган-Узунском блоке и в северозападной части Курайской впадины.
Новизна работы. Личный вклад.
Разработаны структура вычислительных средств и программное обеспечение регионального центра сбора и обработки сейсмологической информации, позволяющие на основе высокопроизводительных компьютеров, реляционных баз данных, ГИС-систем и современных пакетов программ для обработки данных сейсмологии осуществлять совместную обработку и анализ больших объемов (десятки терабайт) сейсмологической и региональной геолого-геофизической информации.
При совместной обработке цифровой модели рельефа местности с данными о сейсмичности региона и активных разломах Алтае-Саянской области рассмотрена скорость самоорганизации фоновой сейсмичности во времени, что позволило установить:
хаотичная фоновая сейсмичность с увеличением временных интервалов анализа упорядочивается в соответствии с блоковой структурой;
фоновая сейсмичность организуется в активные зоны в горных обрамлениях впадин, чем данный регион существенно отличает-
ся от впадин Прихубсугулья, где сейсмичность преимущественно тяготеет к внутренним частям впадин;
в Белипс-Бусингольской системе впадин, по которым проходит граница между Алтае-Саянским и рифтовым Байкальским регионами, сейсмичность концентрируется и внутри, и в горном обрамлении впадин;
наблюдается иерархия активных зон (геологических структур) по скорости самоорганизации фоновой сейсмичности в них;
все землетрясения с магнитудой более шести произошли в зонах, которые стабильно проявляются в повышенном уровне слабой сейсмичности в течение годового временного промежутка, но не во всех подобных структурах уже были крупнейшие землетрясения.
С использованием пространственно-временного представления сейсмичности зон крупнейших землетрясений Алтае-Саянской области, изучения соответствия афтершоковых серий закону Омори, сопоставления сейсмичности с моделью рельефа и информацией о границах блоков по данным геоморфологии, с помощью математического обеспечения ГИС-систем получены следующие новые результаты: сформировавшиеся после крупных землетрясений в Алтае-Саянской области сейсмические активизации являются сложным явлением, часто не укладывающимся в рамки простого афтершокового процесса. Например:
при Урег-Нурском землетрясении 16.05.1970 (Ms = 7.0) к аф-тершоковому процессу примыкает сопутствующая активизация, появление которой не соответствует закону Омори;
при Бусингольском землетрясении 27.12.1991 (Ms = 6.5) наблюдается сложная пространственная структура активизации — работают то тектонические нарушения горного обрамления впадины, то разломы внутри нее. Таким образом, организована уникальная по длительности (более 15 лет) и пульсирующая во вре-
мени сейсмическая активизация.
На основе экспериментальных данных, полученных высокоточной цифровой портативной аппаратурой при активном участии автора, при плотных системах наблюдений (до 30 временных станций в аф-тершоковой области), ориентированных на конкретные задачи, применяя современные методы обработки сейсмологических материалов — определения координат гипоцентров землетрясений с использованием слоистой скоростной модели земной коры, построения фокальных механизмов, метода двойных разностей уточнения положений гипоцентров, метода сейсмической томографии с двойными разностями для совместного уточнения скоростной модели среды и положения гипоцентров, удалось достичь рекордной для исследований на Алтае точности по определению координат гипоцентров аф-тершоков и получить надежные данные для определения механизмов очагов большого количества событий (в том числе и землетрясений малых энергий).
В развитии афтершокового процесса Чуйского землетрясения выделено две фазы: первая связана с процессами вокруг Чаган-Узунского приподнятого блока, а вторая - с линейной зоной вдоль юго-западной границы Курайской и Чуйской впадин.
Установлено, что линейная зона афтершоков обладает поэлементно организованной структурой.
По крупным землетрясениям установлено, что центральная часть афтершоковой области по механизму подвижки - горизонтальный сдвиг, а на окончаниях линейной зоны механизмы изменяются, существенной становится вертикальная составляющая сдвига.
На границе Курайской впадины с Северо-Чуйским хребтом аф-тершоковая область наклонена под хребет.
По результатам локальной сейсмической томографии обнаружены аномалии повышенной скорости под Чаган-Узунским блоком
и в северо-западном окончании Курайской впадины. Вдоль линии афтершоков установлена линейная зона контрастных изменений скоростей продольных волн.
Аппробация. Основные научные результаты докладывались: Межд. геофиз. конф. "Сейсмология в Сибири на рубеже веков" (г.Новосибирск, 2000), 14th Geopys. Congr. (Ankara, Turkey, 2001), Межд. геофиз. конф. "Проблемы региональной геофизики" (г.Новосибирск, 2001), 8-ая Межд. геофиз. конф. "Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон" (г.Петрозаводск, 2002), Всероссийское совещание "Напряжённо-деформир. сост. и сейсмичн. литосф." (г.Иркутск, 2003), Межд. геофиз. конф. "Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия" (г.Новосибирск, 2003), Межд. научн. конф. поев. 90лет. акад. Н.Н.Пузырева (г.Новосибирск, 2004), Научн. конф. "Алтайское (Чуйское) землетрясение: прогнозы, характеристики, последствия" (г.Горноалтайск, 2004), Третья Межд. Конф. "Мониторинг ядерных испытаний и их последствий" (г.Боровое, Казахстан, 2004), на XXVII плен. Геоморф. Комисс. РАН (г.Новосибирск, 2004), Шестая Уральская мол. школа по геоф. (г.Пермь, 2005), итоговая научн. конф. преподавателей и аспирантов НГПУ, секция географии (г.Новосибирск, 2005), Второй Межд. Симпоз. "Активный геофизический мониторинг литосферы Земли" (г.Новосибирск, 2005), Третий Межд. Симпоз. "Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке" (г.Бишкек, Киргизия, 2005), заседание GeoForchungsZentrum (г.Потсдам, Германия, 2005). По теме диссертации опубликовано 32 статьи.
Практическая значимость результатов.
Созданное программное обеспечение регионального центра сбора и обработки сейсмологической информации и разработанная конфигурация технических средств заложены в основе программно-технического комплекса Регионального информационно-обрабатывающего центра АСФ ГС СО РАН и обеспечивают сбор, хранение, обработку информации всей сети цифровых станций.
Установленные связи сейсмичности с блоковым строением и выявленная в работе иерархия сейсмоактивных структур по времени проявления в
сейсмичности важны для обоснования зон ВОЗ при детальном сейсмическом районировании.
Полученные данные о глубинах афтершоков, поэлементной структуре и другие количественные характеристики афтершокового процесса Чуйско-го землетрясения и сейсмических активизаций, вызванных крупнейшими землетрясениями, являются основой разработки геотектонических и геомеханических моделей развития сейсмических процессов для более точного изучения сейсмоопаспости и прогнозирования особенностей сейсмичности Алтая и Саян во времени и пространстве.
Благодарности. Автор благодарен своему научному руководителю, д.г.-м.н. В. С. Селезневу, за советы и поддержку в проведении исследований и написании работы. Признателен академику С. В. Гольдину за оказанное плодотворное влияние на работу, помощь и поддержку в создании Алтайского сейсмологического полигона и проведении временных полевых экспериментов, д.т.н. А. Ф. Емапову за советы, обсуждение и совместную работу, В. И. Самойловой за методическую помощь в написании диссертации. Особо благодарен Е. В. Лесковой за неоценимую помощь в обработке и интерпретации материала, А. Г. Филиной за ценные советы и обсуждения, д.г.-м.н. И. С. Новикову, к.г.-м.н. Е. М. Высоцкому и к.г.-м.н. А. Р. Агатовой за интересные дискуссии в обсуждении геологических результатов и предоставленные материалы по блоковому тектоническому строению Ал тае-Сая некого региона, к.г.-м.н. В. М. Соловьеву и А. В. Лисейкину за плодотворные обсуждения и предоставленные данные о скоростном строении Чуйско-Курайской зоны. Автор признателен зав. лаб. к.т.н. Ю. И. Колесникову и коллегам из Института Геофизики СО РАН к.г.-м.н. П. Г. Дядькову, д.ф.-м.н. В. Ю. Тимофееву, д.г.-м.н. В. Д. Суворову, к.ф.-м.н. О. А. КучаЙ за активные обсуждения в процессе работы. Благодарен д.ф.-м.н. С. С. Арефьеву и сотрудникам ИФЗ РАН, участвовавшим в эпи-центральных полевых работах, за обсуждение полевых экспериментов и результатов, коллективу Алтае-Саянского филиала Геофизической Службы СО РАН за совместное проведение полевых экспериментов в Чуйско-Курайской зоне и помощь в обработке огромного объема полученного материала.
Геоинформационные системы в сейсмологии
Несколько слов о географических проекциях, использованных для представления пространственных данных Алтая и Саян.
В начале работы была использована прямоугольная цилиндрическая проекция Меркатор. В этой проекции меридианы параллельны и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Примеры карт в этой проекции: рис. 2.1, с. 25, 2.2, с. 27. Любая прямая линия, нарисованная в данной проекции, представляет фактический компасный азимут. Но у этой проекции есть недостаток - с удалением от экватора возрастает искажение площадей.
Впоследствии для наиболее точного представления пространственных данных и отображения Алтая-Саянской области была выбрана универсальная поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора (Universal Transverse Mercator, UTM) с нестандартными параметрами. UTM — это специализированное приложение проекции поперечный Меркатор. Земной шар разделяется на 60 северных и южных зон, каждая по 6 долготы. У каждой зоны есть свой центральный меридиан. Зона 1 начинается с —180 ЗД. Пределы каждой зоны по широте - 84 СШ и 80 ЮШ с разделением на северную и южную зоны на экваторе. Ограничения по долготе - 15 -20 в обе стороны от центрального меридиана. За этими пределами данные, спроектированные в UTM могут не проектироваться обратно в ту же самую позицию. Проекция Гаусса-Крюгера, используемая для крупномасштабных топографических карт на территории России, является одним из вариантов проекции UTM. Основные преимущества UTM - точное воспроизведение формы небольших объектов и минимальное искажение формы больших объектов внутри зоны.
Сфероид WGS84 был выбран за основной, поскольку он хорошо соответствует всему земному шару и используется в наибольшем количестве приложений (несмотря на то, что для проекции Гаусса-Крюгера в отечественной системе координат 1942 г. используется несколько отличающийся сфероид Красовского 1940 г.). Центральным был выбран меридиан 93 по двум причинам: он проходит примерно по центру выклинивающейся системы впадин разделяющих Восточный Саян и Алтай от Саян (впадины Больших Озер, впадины Убсу-Нур и Тувинской котловины) и, таким образом, вся интересующая зона попадает в ограничение 15 - 20 по долготе; он соответствует центральному меридиану 16-ой зоны Гаусса-Крюгера. Масштаб по осевому меридиану (scale factor) был выбран 0.9996 для того, чтобы иметь две линии пересечения проектирующего цилиндра с поверхностью сфероида. Восточное смещение (false easting) было взято такое же как и у 16 зоны Гаусса-Крюгера: 16500000. Примеры карт в выбранной проекции: рис. 2.6, с. 33; рис. 2.7, с. 36.
Цифровая карта масштаба 1:1000000 в формате F1M Сибирское отделение РАН приобрело цифровые карты масштаба 1:1000000 в формате F1M производства Роскартографии. Эти карты почти полностью покрывают Алтае-Саяискуго область. Для преобразования данных в формат ArcView shapefile, мы использовали простой конвертер географических данных версии 1.0, любезно предоставленный ЦГИТ СО РАН. Эта карта имеет большое количество различных слоев: изолинии высот, дорожную сеть, гидрографию и т.п. Пример использования гидрографии показан на рис. 3.6, с. 89
Цифровая модель рельефа GLOBE В анализ сейсмичности Алтае-Саянской горной области впервые включен рельеф данной территории, построенный с использованием однокилометровой цифровой модели рельефа, созданной в рамках проекта GLOBE (The Global Land One-km Base Elevation) [99] Национального Центра Геофизических Данных (США). GLOBE - это уникальная глобальная цифровая модель рельефа, которая была спроектирована, открыто рецензирована, создана и документирована [98] под координацией глобального консорциума ученых и множества организаций. Модель представлена в виде массива с разрешением 30 секунд по широте и долготе, при создании данной модели всегда использовались данные, которые удовлетворяют двум условиям: это всегда лучшие доступные данные и это только публично доступные данные, которые могут распространяться без особых ограничений.
Пространственно-временной анализ сейсмичности
По обобщениям сейсмичности Алтая и Саян за период инструментальных наблюдений [5, 8, 43] выделены основные сейсмоактивные зоны этой области. Недостатком таких обзоров является то, что делаются описания характеристик сейсмического режима без оценки возможных механизмов сейсмической активизации тех или иных геологических структур, хотя большой интерес к тектонике и геодинамике Алтая выражается в разработке геологических концепций, объясняющих строение и развитие этого региона [16, 17, 18, 47, 63, 57, 73, 101, 107]. Нет взгляда на сейсмичность Алтае-Саянской области с позиций пространственно-временных связей. Попытки оценить внутренние взаимосвязи в сейсмичности показывают высокую степень линейной связанности [92, 94, 32, 20, 21] внутри процесса.
Обычно при изучении сейсмотектонических процессов используют как можно более полный каталог, но при этом на карту наносится очень много информации, разобраться в которой затруднительно. Исключив информацию о слабых землетрясениях, мы получим более простую картину, но возникнет впечатление, что периода наблюдений недостаточно для понимания причины процессов, вызывающих конкретные проявления сейсмичности.
В основу сформированного в данной работе подхода к изучению сейсмичности региона положены условия, что: 1. тектонические процессы достаточно медленны и приводят на ограниченном временном интервале к возникновению устойчивых в пространстве сейсмически активных зон. 2. тектонические процессы по проявлению в сейсмичности имеют иерархию во времени. 3. структуры, наиболее активные в тектоническом отношении, проявляются в повышенном уровне фоновой сейсмичности за малые интервалы времени.
Эти условия фактически ни к чему не обязывают, но позволяют в удобном виде рассмотреть данные каталога землетрясений Алтае-Саянской области. За минимальный интервал времени для анализа сейсмичности взят один год. Согласно сделанным предположениям, наиболее сейсмоактивные структуры проявляют свои особенности в этом временном интервале в достаточной мере, а в целом каталог региона за инструментальный период обладает избыточной информацией для наиболее быстро протекающих тектонических процессов. Информацию о сейсмичности в предыдущие годы можно использовать для оценки устойчивости тектонических процессов во времени. Взяв фиксированный интервал более года, мы получаем возможность видеть более медленные тектонические процессы и оценивать их устойчивость во времени (в этом случае, по меньшему числу повторений).
Работая с информацией о эпицентрах землетрясений, ограниченной рамками небольшого временного интервала, мы должны её дополнить наиболее важной информацией из геологии и тектоники для формирования обоснованного взгляда на сейсмичность.
В анализ сейсмичности Алтае-Саянской горной области включен рельеф данной территории, построенный с использованием цифровой модели рельефа SRTM (см. раздел 1.2.2, с. 16), и карта активных разломов, при построении которой основу составили данные ГИН РАН (см. раздел 1.2.3, с. 19), несколько дополненные и уточненные другой, имеющейся в распоряжении авторов, информацией (Рис. 2.6) [33].Дополнительно на эту карту нанесены эпицентры наиболее крупных землетрясений для данного региона. Опираясь только на информацию о наиболее крупных землетрясениях, трудно сделать выводы об особенностях сейсмического режима рассматриваемого региона. Землетрясения шестнадцатого-семнадцатого энергетического класса приурочены к впадинам: Зайсанской, Убсу-Нур, Бусинголь-ской, к Чуйско-Курайской зоне. Безусловно, это разные по типу впадины. Бусингольское землетрясение приурочено к рифтовой впадине. Остальные крупнейшие землетрясения рассматриваемой территории произошли в условиях сжатия и приурочены к горному обрамлению впадин. Землетрясения пятнадцатого энергетического класса также не многочисленны. Большинство из них приурочены к геологическим структурам с описанными нами землетрясениями с К = 16 и более, и только одно событие этого класса (на восточной границе Монгольского Алтая) не приурочено к более крупным землетрясениям. Землетрясения тринадцатого и четырнадцатого классов чуть более многочисленны, но по представленной на рис. 2.6 информации трудно сделать выводы о сейсмичности геологических структур представленного региона. Самый трудный вопрос: где еще будут крупные землетрясения на этой территории? Для ответа на этот вопрос необходим более детальный анализ имеющейся информации.
Очень высока плотность мелких землетрясений в районе Чаган-Узунского блока и в окрестности Курайской впадины. До 2003 года за более чем сорок лет в этой зоне не было зафиксировано ни одного крупного (К 12) землетрясения. Чуйское землетрясение {Ms = 7.3) является крупнейшим в Алтае-Саянской зоне за инструментальный период и афтер-шоковый процесс, последовавший за главным толчком, выделил эту зону как наиболее сейсмоактивную в регионе.
Особенностью строения центральной части Алтае-Саянской области является наличие системы крупных впадин: Тувинская котловина, котловина Убсу-Нур и котловина Больших озер, которые формируют сегмент окружности, разделенный на части узкими хребтами. С выделенной системой впадин связаны наиболее крупные проявления сейсмичности Алтае-Саянской горной страны. Системы горных хребтов разбиты множеством разломов и имеют примерно одинаковые деформационные характеристики, тогда как впадины являются более монолитными участками и отличаются от горных хребтов по деформационным характеристикам
Определение положения гипоцентров с использованием слоистой скоростной модели
Алгоритмы построения эпицентров землетрясений, применяющиеся в Алтае-Саянском регионе до настоящего времени, были рассчитаны на редкую сеть региональных наблюдений. С появлением более плотной сети станций Алтайского сейсмологического полигона [38] стало возможным применять методики, позволяющие получать более точные решения при локальных полигонных наблюдениях. В этой работе для обеспечения высокой точности обработки сейсмологических данных Алтая применяются новые методы, которые позволяют детально рассмотреть пространственную структуру афтершокового процесса Чуйского землетрясения.
Повысить точность построения положений гипоцентров можно, улучшив заложенную в алгоритмы скоростную модель земной коры. Именно благодаря скоростной модели мы можем вычислять время пробега волн и расстояние от очага до сейсмической станции. При этом несоответствие скоростной модели реальной среде вносит, пожалуй, самую большую ошибку в вычисления координат сейсмических событий. Для уточнения положения гипоцентров землетрясений используются два подхода. В первую очередь, вводится улучшенная скоростная модель [77]. Это позволяет получить более точные абсолютные решения [100]. Затем используется метод двойных разностей, который не очень чувствителен к параметрам модели. Метод двойных разностей [ПО] дает достаточно точное относительное решение, которое мы привязываем, сравнивая с уже имеющимся абсолютным.
Гипоцентральные решения выполнены с использованием скоростной модели [25, 26, 27, 30], полученной по данным сейсмической томографии [77]; и для некоторых землетрясений, прежде всего для крупнейших событий этой активизации, пострены фокальные механизмы (см. раздел 3.3, с. 83).
В стандартной обработке землетрясений в региональном центре, ориентированной на разреженную сеть сейсмических станций, вычисляются только положения эпицентров с фиксированной глубиной 15 км. Расчет делается с простой скоростной моделью с постоянными скоростями Vp = 6.1 км/с, Vs = 3.5 км/с в земной коре, и Vpn = 8.1 км/с, Vsn = 4.6 км/с в мантии. При разреженной сети, на больших расстояниях такой модели вполне достаточно, тогда как для локального участка Алтайского сейсмологического полигона [38] можно использовать более точную слоистую скоростную модель, предполагая, что она не меняется на территории полигона.
Представлены гипоцентральные решения, которые были сделаны программой HYPOINVERSE 2000 [100] с использованием скоростной модели, полученной по данным сейсмической томографии на профиле [77]. Такая методика применяется впервые для определения гипоцентров в Алтае-Саянском регионе. В таблице 3.1 показана скоростная модель для продольных волн. Для поперечных волн скоростная модель получалась с использованием отношения Vp/Vs = 1.74. Поскольку почти все станции, участвовавшие в обработке, были выставлены на выходах коренных пород, в первом слое модели берется скорость кристаллического фундамента и не принимается во внимание скорость в осадочном слое. Модель построена до границы Мохоровичича, а на границе (55км) указана скорость головной волны. Таким образом, используется модель, которая учитывает головную волну, но не учитывает волны, проходящие через мантию.
Заметим, что и для Р и для S волн использованы только первые вступления, интерпретация того, является ли волна прямой или рефрагирован-ной (головной), зависит от скоростной модели. У методики, которая используется в стандартной обработке, в этом смысле есть некоторое преимущество: она использует как прямые, так и головные волны. Это преимущество проявляется при редкой региональной сети станций, где для сейсмического события большинство станций находится на расстоянии, на котором появляется головная волна, но в условиях Алтайского сейсмологического полигона и плотной сети станций эпицентральных наблюдений оно не существенно.
В алгоритме использованной программы HYPOINVERSE 2000 [100] заложена достаточно "умная" система взвешивания. При расчетах сначала вычисляется грубое приближение решения с использованием всех данных и фиксированной глубиной, затем оно начинает итеративно уточняться. При достижении точного эпицентралыюго решения начинается определение глубины, В процессе вычислений на заданной итерации включается фильтрация и взвешивание данных по двум параметрам: по невязке и расстоянию. При взвешивании по невязке из расчетов удаляются наблюдения, на которых разность наблюденного и теоретического (вычисленного с помощью модели) времен пробега превышает некоторую величину, обычно 0,16 секунды, а остальным данным присваиваются веса в зависимости от невязки. Взвешивание зачастую уточняет решение, отбрасывая некачественные данные. Но при этом возможна ситуация, когда одно плохое наблюдение может стянуть расчет к неверному результату, поэтому необходимо контролировать качество решения.
Сейсмическая томография с двойными разностями
В этом разделе мы рассмотрим в общих чертах суть метода сейсмической томографии с двойными разностями и некоторые его особенности.
Время вступления Т от землетрясения г до сейсмологической станции к выражается, используя теорию лучей, как интеграл пути вдоль луча, где r - начальное время события г, и - поле медленности, и ds — это элемент длины пути. Координаты источника ( 1, 2,2:3)) время источника, пути лучей и поле медленности — неизвестные. Соотношение между временами вступления и положением события является нелинейным, поэтому усеченные ряды Тэйлора используются для линеаризации уравнения 3.7. Таким образом мы линейно связываем невязку между наблюденным и теоретическим временами вступлений г\ с желаемыми отклонениями параметров гипоцентра и скоростной структуры
стр. 98) [ПО]. Этот член является разницей между наблюденными и теори-тическими временами вступлений для двух событий и также может быть записан как (см. уравнение 3.4) dr = (rkirbs-(Tiirl (з.п)
Наблюдаемые дифференциальные времена вступлений (Tjj — Tl)obs могут быть вычислены как с помощью кросскорреляции похожих волновых форм, так и из каталога абсолютных времен вступлений. Уравнение ЗЛО является алгоритмом двойных разностей для определения положения землетрясений (раздел 3,5,1, с. 96) [ПО].
Апробацию метода DD-томографии на синтетических и реальных данных можно найти в работах [113, 114]. Также, в работе [114] выполнено сравнение методик стандартной томографии и DD-томографии; показано, что DD-томография дает более точные определения скоростной модели и положения событий, чем стандартная томография.
Программная реализация этого метода принадлежит Хайджиангу Жангу [115].
Начальные данные
В качестве начальных данных мы использовали гипоцентральные решения, которые были выполнены с использованием скоростной модели [77], с помощью программы HYPOINVERSE 2000 [100]. Стоит отметить, что геология Алтае-Саяиского региона очень разнообразна, поэтому одномерная слоистая модель, использованная в расчете, достоверна только для района главного события и афтершокового процесса. В таблице 3,1, с. 79 показана скоростная модель для продольных волн. Для поперечных волн скоростная модель получалась с использованием отношения Vp/Vs = 1,74. Поскольку почти все станции, участвовавшие в обработке, были выставлены на выходах коренных пород, в первом слое модели берется скорость кристаллического фундамента и не принимается во внимание скорость в осадочном слое. Модель построена до границы Мохоровичича, а на границе (55км) указана скорость головной волны. Эта же скоростная модель использовалась и в качестве референтной модели для DD-томографии.
Томографическая инверсия и результаты
При вычислениях система координат была развернута на 45,5 градусов против часовой стрелки [28], как показано на рис. 3.12. Таким образом, активизированная область стала располагаться вдоль оси Y. Черными точками обозначены узлы модели, для которых вычислялись скорости волн, скорость между узлами рассчитывалась с помощью трилинейной интерполяции. Вдоль линии активизации было увеличено количество узлов для того, чтобы более детально описать моделью хорошо обеспеченную данными активную зону [28].
На рис. 3.12 также показана полученная скоростная модель для слоя на глубине 3-6 км. Более высокими скоростями выделяются северо-западная часть Курайской впадины, которая также выделяется в рельефе — приподнята относительно юго-восточной части (рельеф виден на рис. 3.15), и север Чаган-Узунекого блока. Интересно, что со стороны южного борта Курайской впадины, как раз вдоль зоны активизации, и Северо-Чуйского хребта проходит область пониженных скоростей, которая может свидетельствовать о более низких скоростях в разломной зоне.
Для проверки устойчивости модели выполнено три теста, внеся в исходные времена вступлений регулярные ошибки +0.1 сек, -0.1 сек и случайную ошибку в диапазоне [0.5, -0.5] сек. Результаты вычислений показаны на рис, 3.13. Хорошо видно, что основные скоростные аномалии не меняются.
Переопределение положения гипоцентров методом DD-томографии представлено на рис, 3.14: показано окружение зоны активизации сейсмическими станциями и карта положения эпицентров; для района, соответствующего южному борту Курайской межгорной впадины (выделен квадратом на карте эпицентров) приведены две вертикальных проекции.
