Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Геолого-геофизическая изученность территории Монголии 16
1.1. Геолого-структурная позиция Монголии 18
1.2. Строение земной коры и литосферы Монголии по геолого-геофизическим данным .. 30
1.3. Сейсмичность, сильные землетрясения и генерирующие их основные разломы Монголии 40
ГЛАВА 2. Сейсмичность Монголии 62
2.1. Основные параметры и характеристики сейсмичности Монголии 66
2.1.1. Анализ инструментальных сейсмологических данных 67
2.1.2. Поле эпицентров землетрясений Монголии... 78
2.1.3. Сейсмический процесс.. 82
2.1.4. Сейсмическая активность
2.2. Энергетическая структура сейсмичности Монголии 88
2.3. Корреляции скорости потока землетрясений Монголии 97
2.4. Сильные землетрясения Монголии..
2.4.1. Пространственно-временное и магнитудно-энергетическое распределение сильных землетрясений Монголии 107
2.4.2. Рекуррентные интервалы и вероятности сильных землетрясений Монголии... 114
ГЛАВА 3. Напряженное состояние литосферы монголии по данным о параметрах очагов землетрясений 127
3.1. Напряженное состояние литосферы Монголии по данным о механизмах очагов сильных землетрясений 131
3.2. Динамические параметры очагов землетрясений Монголии: методика определения и представительность данных 151
3.3. Напряженное состояние литосферы Монголии на разных пространственно-временных и энергетических уровнях 161
3.4. Сейсмогеодинамика литосферы Монголии 184
3.4.1. Пространственно-временные свойства сейсмогеодинамики литосферы Монголии по данным о фокальных механизмах землетрясений и параметрах bM и M0 . 188
3.4.2. Сейсмогеодинамика литосферы Монголии: корреляции и эпизоды синхронизации геодинамических процессов 196
ГЛАВА 4. Деформированное состояние литосферы монголии по данным о радиусах дислокаций.. 212
4.1. Пространственно-временные вариации радиусов дислокаций 214
4.2. Деформированное состояние литосферы Монголии по данным о форме дислокаций. 221
4.3. Энергия сейсмотектонических деформаций литосферы Монголии: данные о разломах и сейсмологические материалы.. 228
ГЛАВА 5. Геолого-геофизические исследования в окрестностях г. Улаанбаатар 244
5.1. Изученность сейсмичности Улаанбаатарского бассейна и близлежащих территорий 246
5.2. Основные сейсмоактивные структуры в окрестностях г. Улаанбаатар: сейсмический потенциал по результатам палеосейсмических и геофизических исследований 249
5.3. Развитие геофизической мониторинговой сети в окрестностях г. Улаанбаатар. 282
5.4. Обработка данных геофизической мониторинговой сети и основные результаты исследований
5.4.1. Пространственно-временные и энергетические (магнитудные) характеристики сейсмичности 291
5.4.2. Исследование почвенного радона на сейсмоактивных разломах Улаанбаатарского геодинамического полигона 297
5.4.3. Результаты GPS-наблюдений 307
Заключение 322
Список литературы
- Строение земной коры и литосферы Монголии по геолого-геофизическим данным
- Энергетическая структура сейсмичности Монголии
- Пространственно-временные свойства сейсмогеодинамики литосферы Монголии по данным о фокальных механизмах землетрясений и параметрах bM и M0
- Обработка данных геофизической мониторинговой сети и основные результаты исследований
Введение к работе
Актуальность исследований. В глубинах нашей планеты происходят геолого-геофизические процессы, приводящие к деформированию литосферы и формированию сейсмичности и, иногда, к катастрофическим землетрясениям. Измеряя на поверхности геофизические поля и выделяя особенности их проявления в пространстве и времени, можно с применением математического аппарата установить фундаментальные закономерности строения и современной геодинамики литосферы, обнаружить основные энергетические источники деформирования горных пород и генерации землетрясений, смоделировать развитие сейсмического процесса с реализацией катастрофического землетрясения и оценить его разрушительные последствия на различных территориях и грунтах. Для исследуемого района в силу ряда причин эти проблемы пока далеки от окончательного решения. Необходимо решение комплекса задач, определяемых в фундаментальном плане структурой НДС среды, современными геодинамическими процессами, сейсмогеодинамикой и сейсмичностью на различных иерархических уровнях литосферы региона, а в прикладном аспекте – проведением сейсмического районирования разной детальности территорий промышленно-гражданского освоения и крупных городов Монголии. От решения этих задач зависит безопасность проживания большого количества людей, особенно в г. Улаанбаатар, где в настоящее время сконцентрировано свыше 40% населения Монголии, а в окрестностях города установлены сейсмические активизации [Ferry et al., 2010] и выделены сейсмоактивные разломы [Дэмбэрэл и др., 2010].
Цель исследования – оценка структуры и особенностей НДС, выделение главных закономерностей сейсмогеодинамики и распределения землетрясений на трех иерархических уровнях литосферы Монголии с акцентом на проявлениях сейсмичности, почвенного радона и GPS-скоростей в окрестностях г. Улаанбаатар.
Научные задачи исследований, поставленные и выполненные для достижения цели работы:
– модернизация старых, разработка и развитие новых методов измерений, обработки и анализа сейсмичности, определения и интерпретации НДС литосферы по данным очаговой и структурной сейсмологии;
– определение параметров очагов землетрясений в широком диапазоне энергетических классов, развитие и адаптация методов статистической обработки результатов для интерпретации НДС с целью выявления структуры и основных
закономерностей эволюции сейсмичности на трех иерархических уровнях литосферы Монголии;
установление главных закономерностей и выделение трендов пространственно-временных вариаций НДС и сейсмичности на трех иерархических уровнях литосферы для уточнения сейсмической опасности территорий;
определение параметров очагов палеоземлетрясений и слабой сейсмичности, измерение содержания почвенного радона и GPS-скоростей для уточнения сейсмической опасности в г. Улаанбаатар и его окрестностях.
Фактический материал и методы исследований. Основой работы являются данные 40667 землетрясений, произошедших в Монголии и на сопредельных территориях Центральной Азии (<р=42–53 с.ш., А=87–120 в.д.) за 1964-2015 гг. Для землетрясений, зарегистрированных в период 1970-2000 гг. сейсмографами с гальванометрической записью, определены динамические параметры очагов в широком диапазоне энергетических классов (6<Р<14). Представительность выборки динамических параметров толчков достигает 80%, что характеризует оценки НДС литосферы статистически достоверными на этом уровне значимости. Параметры землетрясений северной Монголии определены по совместным материалам сети сейсмических станций Монголии, Байкальского и Алтае-Саянского филиалов ГС СО РАН. В обработку и анализ привлечены материалы режимных и полевых сейсмологических, сейсмогеологических и геофизических наблюдений (особенно обширные для г. Улаанбаатар и его окрестностей), с целью получения которых соискатель организовал временные экспедиции и стационары, участвовал в обработке и интерпретации материалов, подготовке публикаций и представлении результатов на международных и региональных конференциях и симпозиумах.
В рамках разрабатываемой проблемы, полученных фактических материалов и сделанных допущений примененные методы статистической обработки и способы интерпретации результатов измерения геофизических полей были ориентированы на создание целостного представления о структуре, основных характеристиках и эволюции НДС и сейсмичности в литосфере Монголии. Для достижения этого применен широкий спектр подходов при проведении геолого-геофизического мониторинга, разработке метода формализованного определения параметров сейсмических источников, определении параметров очагов палеоземлетрясений, измерении содержания почвенного радона и выполнении GPS-наблюдений. При выявлении пространственно-временной и энергетической структуры сейсмичности и НДС на трех иерархических уровнях литосферы Монголии использованы статистические методы обработки материалов геолого-геофизического мониторинга. Применение методов статистической обработки в различных диапазонах энергетических классов землетрясений за выбранные интервалы времени были ориентированы на изучение деталей эволюции НДС и сейсмичности с целью уточнения модели современной геодинамики и сейсмогеодинамики литосферы Монголии. Картирование геолого-геофизических структур и параметризация геодинамических явлений, воздействие которых нашло отражение в вариациях в сейсмичности и сейсмических источников, в
результатах измерения содержания почвенного радона и GPS-скоростей для решения задач сейсмической безопасности территорий. Используемый фактический материал, примененные подходы и методы дают возможность комплексного изучения современной геодинамики, сейсмогеодинамики, НДС и сейсмичности с целью установления фундаментальных закономерностей эволюции литосферы Монголии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Статистический анализ сейсмичности показал, что активизации в
литосфере Байкальской рифтовой системы (БРС) приводят к кратковременной
упорядоченности энергетической структуры и синхронизации динамики
землетрясений Монголии.
2. Вариации сейсмических моментов землетрясений Монголии обусловлены
сменой типа подвижки в очагах под влиянием геодинамических активизаций в
литосфере БРС. Региональные геодинамические источники БРС формируют
переменное поле напряжений в северной и центральной Монголии, а
стохастическое воздействие глобальных источников повышает уровень
напряжений сжатия в юго-западной Монголии.
3. Поле сейсмотектонических деформаций на территории Монголии
отличается отчетливо выраженной неоднородностью. На юго-западе литосфера
менее дислоцирована, чем на севере и, тем более, в центре, где
сейсмотектонические деформации характеризуются высокой неоднородностью.
4. Повышение сейсмической активности в окрестностях г. Улаанбаатар
обусловлено усилением тектонических подвижек по сети разломных зон на
современном этапе их развития, что отчетливо проявляется при количественном
анализе сейсмологических, эманационных и GPS-геодезических данных. Крупные
разломы территории обладают потенциалом, который, судя по оценкам
голоценовых землетрясений, может привести к сейсмическим событиям высокой
магнитуды.
Научная новизна и личный вклад автора. Впервые выполнена статистическая обработка и интерпретация представительного фактического материала инструментальных сейсмологических наблюдений и определений параметров очагов землетрясений с целью изучения пространственно-временной и энергетической структуры сейсмичности и НДС литосферы Монголии. Работа выполнена преимущественно на фактическом материале автора и его коллег. Большинство данных являются новыми, как по фактическому материалу для конкретных изучаемых объектов, так и по интерпретации.
Главные результаты:
– установлено, что главные особенности наблюдаемых изменений сейсмических моментов землетрясений Монголии обусловлены сменой типа подвижки в очагах под влиянием геодинамических активизаций в литосфере БРС. Региональные геодинамические источники БРС создают переменное поле напряжений северной и центральной Монголии, а стохастическое воздействие глобальных источников приводит к повышению уровня напряжений сжатия в юго-западной Монголии.
– анализ радиусов дислокаций показал, что литосфера северной и центральной Монголии дислоцирована сильнее, чем на юго-западе страны. Выделены неоднородности НДС, причем повышенная изменчивость наблюдается в центральной части страны. В динамике изменений напряженного и деформированного состояний литосферы выявлен небольшой фазовый сдвиг. – установлено, что основные стадии изменчивости сейсмичности и НДС литосферы Монголии обусловлены геодинамическими активизациями БРС и между активизациями и моментами усиления изменчивости верифицирована связь. Этот результат развивает феноменологическую модель стационарного сейсмического процесса, отражая особую роль и существенное влияние структурных перестроек НДС в литосфере БРС на геодинамику Монголии. Наблюдаемая на исследуемом уровне сейсмогенеза стадийность и системность геодинамики является одним из атрибутов механизма возвращения иерархической системы разломов-блоков в метастабильное состояние после геодинамических активизаций и сильнейших землетрясений. В контексте детерминированного хаоса эти процессы могут быть поняты как отклики на переход неустойчивой геолого-геофизической среды различного иерархического уровня из одного метастабильного состояния в другое.
– проведённые в окрестностях г. Улаанбаатар сейсмогеологические исследования показали, что активные разломы в бортах впадин наследуют разрывные структуры, оформившиеся на завершающем этапе каледонской складчатости до заложения впадин. Благодаря этому наследованию современные активные разломы имеют преимущественно взбросовую кинематику, а их расположение не совпадает с границами впадин мезозойского возраста. Причиной активизации разломов является продолжающийся рост сводового поднятия, хотя и не столь интенсивный как в позднем палеозое или мезозое.
– расчеты GPS–скоростей на полигоне “Ulaanbaatar” показали, что деформации поверхности земной коры неоднородны и уменьшение скорости деформации происходит с СЗ на ЮВ. Повышенные значения деформаций приурочены к зонам сейсмодислокаций, а максимальные сдвиговые деформации имеют вид вытянутых полос, разделяющих блоки с меньшей деформацией. На западе полигона выделяется зона субмеридиональной ориентации с преобладанием раздвиговой составляющей деформации и к этой зоне с максимальным проявлением составляющей растяжения приурочено скопление землетрясений. – сейсмологические и эманационные данные подтверждает, что разломообразование в земной коре Улаанбаатарского полигона происходит в соответствии с глобальным полем напряжений. Стиль активного разрывообразования определяется обстановкой сдвига с ориентацией оси сжатия в направлении ЮЗ-СВ, что согласуется с ЮЗ-СВ направленностью оси максимального главного горизонтального напряжения SHmax в центральной части Монголии.
– повышение сейсмической активности в окрестностях г. Улаанбаатар обусловлено усилением тектонических подвижек по сети разломных зон и отчетливо проявляется при обработке сейсмологических, эманационных и GPS-
геодезических данных. Поскольку активные в голоцене крупные разломы этой территории обладают сейсмическим потенциалом, который может быть реализован землетрясениями с магнитудой до M7.5, то современная активизация разломной сети и выделение сильных палеоземлетрясений свидетельствуют о необходимости уточнения оценки уровня исходной сейсмической опасности столицы Монголии в сторону ее увеличения. Характеристика личного вклада автора.
Работа выполнена по материалам стационарных и полевых сейсмологических, палеосейсмогеологических и геофизических наблюдений (особенно обширных в окрестностях г. Улаанбаатар), для получения которых автор организовал временные экспедиции и стационары, непосредственно участвовал в исследованиях, обработке и интерпретации материалов, подготовке публикаций и представлении результатов на международных и региональных конференциях и симпозиумах. Автором освоена, развита и применена формализованная методика массового определения динамических параметров очагов землетрясений. При этом разработаны, адаптированы и применены алгоритмы определения и формализации исходных баз данных, методы статистического анализа и сравнительной интерпретации пространственно-временной и энергетической структуры НДС и сейсмичности на трех иерархических уровнях литосферы. Использованы и развиты методики и алгоритмы, направленные на идентификацию геодинамических процессов и выделение пространственных геологических структур в литосфере Монголии. Предложены и адаптированы способы геофизической интерпретации полученных материалов и результатов в терминах и понятиях современной геодинамики, НДС литосферы, сейсмогеодинамики и сейсмичности.
Практическая значимость работы. На практике реализована технология получения и обработки сейсмологической и геофизической информации на различных пространственно-временных масштабах, включающая в себя автоматизацию процесса, обеспечение решения задач определения текущих и прогнозных оценок и компьютерную визуализацию материалов очаговой и структурной сейсмологии, эманационного и GPS-мониторинга. Технология в перспективе создает возможность перехода к мониторингу литосферы в режиме реального времени с целью оперативного решения задач сейсмической безопасности и прогноза сильных землетрясений.
Проведенные сейсмогеологические исследования ориентированы на оценку потенциальной сейсмичности главных сейсмогенерирующих структур Монголии. На основании карт пространственного распределения сейсмических моментов сильных землетрясений и разломов выделены территории реализации разного типа подвижки в очаге. Такая регионализация территории, в совокупности с другими геолого-геофизическими методами, дает возможность более надежно и обоснованно подойти к дифференциации зон возникновения очагов землетрясений (зон ВОЗ).
Развиты методики и алгоритмы, позволяющие определить основные очаговые параметры землетрясений Монголии. Установление типа современного
разломообразования имеет важное значение для оценки сейсмической опасности г. Улаанбаатар. Наиболее высокая сейсмическая опасность для столицы Монголии создается потенциалами разломных зон Хустай (до VIII баллов по шкале МSK-64) и Гунжин (до VIII–IX баллов), расположенных рядом с городом. Здесь в поле напряжений развивается сеть из четырех направлений разломных зон, а наиболее крупные представители субширотной и субмеридиональной систем являются лево- и правосторонними сдвигами. Разломные зоны северозападной и северо-восточной систем наследуют сеть разломов новейшего возраста и интенсивно развиваются в обстановках сжатия или растяжения.
Ранее считалось, что сейсмическая опасность г. Улаанбаатар невысока из-за удаленности основных сейсмогенных разломов и низкого уровня сейсмичности. Исследованиями последних лет в непосредственной близости к городской агломерации установлены сейсмогенные структуры и выявлен высокий уровень сейсмичности. Изучение зон повышенной сейсмичности в окрестностях города методами GPS–геодезии и радонометрии показало наличие локальных аномалии горизонтальных деформации и высокой эмиссии радона на различных участках зон разломов. Установленная высокая современная и голоценовая геодинамическая активность территории поднимает вопрос о пересмотре уровня исходной сейсмической опасности г. Улаанбаатар в сторону ее увеличения.
Апробация результатов. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных симпозиумах (Генеральная ассамблея Азиатской Сейсмологической Комиссии: Вьетнам – 2010, Монголия – 2012, Филлипины – 2014 и Австралия – 2016), Американский геофизический союз (2013, 2014) и региональных тематических совещаниях (Улаанбаатар, 2010-2015), (Иркутск, 2010–2016).
Публикации. Фактический материал и основные выводы диссертации изложены автором и с его участием в 48 научных публикациях, из которых 19 публикаций в ведущих зарубежных (9 публикаций) и российских изданиях, включая журналы по Перечню ВАК, а также в научных отчетах и в материалах конференций.
Структура работы. Общий объем работы (374 стр.) составляют введение, пять глав и заключение (всего 231 стр.), 108 рисунков (на 83 стр.), 30 таблиц (на 21 стр.) и список литературы (416 наименований на 39 стр.).
Строение земной коры и литосферы Монголии по геолого-геофизическим данным
Знание строения, свойств и структурных особенностей земной коры и литосферы любого региона является чрезвычайно важным для понимания и интерпретации происходящих в них геодинамических (в том числе нео-, сейсмотектонических и сейсмогеодинамических) процессов и установления общих геолого-геофизических критериев связи с сейсмичностью. В изучении глубинного строения земной коры и литосферы основную роль играют геофизические методы. Несмотря на открытие нескольких сейсмических станций (“Улан-Батор”, 1957 год; “Алтай”, 1959 год; “Цэцэрлэг” и “Toсoнцэнгэл”, 1964 год), до конца 1960-х годов территория Монголии оставалась весьма слабо изученной геофизическими методами. С начала 1970-х годов строение и состояние земной коры и литосферы южной части Восточной Сибири и Монголии изучалось комплексом геофизических методов, включающим в себя гравиметрию, магнитометрию, геотермию, электрометрию, сейсмологию, сейсморазведку, сейсмогеологию и пр. [Рогожина, 1968; Зорин, 1971; Зорин и др., 1982; Новоселова, 1973; Очерки..., 1977; Турутанов, Зорин, 1978; Хилько и др., 1985; Кожевников, 1987; Кочетков и др., 1993; Baljinnyam et al., 1993; Молнар и др., 1995; Кожевников и др., 1995; Попов и др., 1995; Мордвинова и др., 1995; Complex…, 2004; Джурик и др., 2009 и др.]. С целью выяснения природы неотектонических движений и связанной с ними сейсмичности выполнено картирование толщины земной коры и толщины литосферы, а в российской части Монголо-Сибирской горной страны и на сопредельной Сибирской платформе получен сравнительно большой объем ГСЗ [Недра..., 1981]. Проведенное картирование позволяет понять наиболее общие закономерности и тенденции формирования земной коры и литосферы и связать их с проявлениями современной сейсмичности. Разрешающая способность выполненного картирования невысока и позволяет выявить только наиболее общие характерные черты и главные особенности строения коры и литосферы.
Литосфера Монголии в процессе своей эволюции испытывала разнообразные по типу, направленности, интенсивности и контрастности тектонические движения, генерирующие сейсмические явления и процессы, которые, вероятно, так же как и в настоящее время, были тем более значительными, чем интенсивнее и контрастнее происходили движения. Авторы [Хилько и др., 1985] полагают, что характер тектонических движений и их “сейсмической составляющей”, обусловленный вполне определенным динамическим силовым полем, изменялся как во времени, так и в пространстве. Для характеристики связей между тектоникой и сейсмичностью важным итогом домезозойской геологической истории Монголии может быть формирование консолидированной коры материкового типа и сложной сети разрывных нарушений. Первостепенное значение имеют наиболее древние, заложенные в начальные стадии геосинклинального развития, протяженные и мощные глубинные тектонические швы, представляющие границы складчатых поясов и структурно-формационных зон внутри их. К ним относятся: Главный Монгольский линеамент, СевероМонгольская и Баян-Хонгорская системы разломов, Кобдинский, Гоби-Тяньшаньский и другие разломы. Так кaлeдoнскaя склaдчaтaя систeмa нa тeрритoрии Moнгoлии oтдeляeтся oт гeрцинскoй Глaвным мoнгoльским линeaмeнтoм, а в рaйoнe Прихубсугулья имeются выxoды aльпийскoй склaдчaтoй структуры, чтo некоторым образом oбьясняeт eдинствo прoисxoждeния с Прибaйкaльeм. В кaйoнoзoe вся Монголо-Сибирская горная страна была aктивизирoвaнa унaслeдoвaнным движeниeм oт пaлeoзoя и кoллизиeй Индoстaнскoй плиты с Eврaзиeй, а нaчaлo этиx дeфoрмaции и процесса гoрooбрaзoвaния (oкoлo 40 млн. лeт нaзaд) сoглaсуeтся с дaнными пaлeoмaгнeтизмa. Кaк слeдствиe этиx движeний, вeрxняя чaсть aстeнoсфeры была вoвлечeнa в грандиозную грaвитaциoнную кoнвeкцию, которая в свoю oчeрeдь, вызвaла повышенное нaгрeвaниe и рaзуплoтнeниe вeщeства мaнтии. Движeниe, вызвaннoe таким мaнтийным прoцeссoм, в литeрaтурe нaзвaнo диaпризмoм и, eстeствeннo, формирует вeртикaльную нaпрaвлeннoсть перемещения масс. Нaличиe диaпризмa пoд кoнтинeнтaльнoй чaстью Aзии проявляется в существовании и эволюции БРС и подтверждается результатами сeйсмичeскoй тoмoгрaфии [Рогожина, 1968; Зорин, 1971; Кожевников, 1987; Кожевников и др., 1995; Мордвинова и др., 1995 и др.].
Исследование рельефа раздела Мохоровичича в отдельных частях Монголо-Сибирской горной страны, проведенное различными методами [Очерки..., 1977; Недра..., 1981; Зорин и др., 1982; Геология..., 1984], показало, что под горными хребтами обычно отмечается некоторое увеличение толщины коры, а под впадинами и стабильными участками – ее относительное уменьшение. Установлена корреляционная связь толщины земной коры с эффективными высотами рельефа земной поверхности, а по аномалиям силы тяжести выделены плотностные неоднородности верхней части коры [Зорин и др., 1985]. В целом под Сибирской платформой толщина земной коры изменяется от 36 до 40 км во внутренних районах и до 43 км в ее краевых частях, а под Забайкальской областью умеренного горообразования варьирует в диапазоне 42–46 км. Максимальные изменения мощности коры отмечаются в БРЗ: на сравнительно узких участках, соответствующих рифтовым впадинам, она уменьшается до 34–40 км, а под горными хребтами Саяно-Байкальского сводового поднятия граница Мохоровичича расположена на больших глубинах 45–55 км. Кристаллическая часть коры под впадинами утонена до 28–37 км, что на 10–16 км тоньше по сравнению с корой под примыкающими к ним горными хребтами, и такое значительное утонение коры вызвано процессами растяжения, которые начались в олигоцене [Logatchev, Zorin, 1992] и продолжаются до настоящего времени. Самая тонкая кора зафиксирована под Южно-Байкальской впадиной (32–34 км), а в целом мощность земной коры в рифтовой зоне изменяется от 34 до 44 км. Глубина залегания Мохо, полученная методом спектральных отношений объемных волн от удаленных событий, равна под краевой частью платформы 40–42 км, под озером Байкал 37 км, под хребтом Хамар-Дабан 50 км [Мордвинова и др., 2000].
Энергетическая структура сейсмичности Монголии
О степени соответствия эпицентров исторических и современных землетрясений можно судить по картам, на которых видно, что распределение эпицентров сильных сейсмических событий прошлого (см. Рис.1.3.3, Рис. 2.1.1) достаточно хорошо согласуется с эпицентральным полем последних 50-ти лет инструментальных наблюдений (Рис.2.1.4). Эпицентры исторических землетрясений, как правило, в пределах погрешностей определения координат соответствуют зонам повышенной плотности эпицентров, а главные черты их пространственного распределения сводятся к следующему: 1. Субширотная и субмеридиональная зоны эпицентров на севере Монголии; 2. Субширотная зона эпицентров, протягивающаяся южнее 50-ой параллели; 3. Зона северо-западного простирания на юго-западе Монголии. В целом карта эпицентров толчков (см. Рис. 2.1.4) достаточно близко соответствует эпицентральному полю землетрясений, анализируемому в работах [Хилько и др., 1985; Джурик и др., 2009]. Существенное увеличение числа слабых землетрясений не изменило в целом характера распределения эпицентров, которое, как и прежде, достаточно четко отражает пространственную неоднородность в распределении сейсмичности по территории Монголии. Анализ эпицентрального поля показывает, что основная сейсмическая деятельность развивается в центральной и западной Монголии, однако границу, разделяющую территории с высокой и низкой сейсмичностью по “критическому” 105-ому меридиану [Хилько и др., 1985], следует перенести на восток к 108-му градусу [Джурик и др., 2009]. Восточнее этой долготы эпицентральное поле характеризуется слабой рассеянной сейсмичностью, без достаточно плотных групп землетрясений. Вместе с тем видно, что и восточная часть территории Монголии покрывается эпицентрами землетрясений, преимущественно слабых, отражая увеличение интервала времени и аппаратурной чувствительности сейсмического мониторинга. Это свидетельствует, что практически вся территория Монголии подвержена сейсмотектоническому деформированию литосферы.
Плотность эпицентров определена путем подсчета чисел толчков, произошедших в элементарных площадках 0.5х0.5 (см. Рис. 2.1.6.) Такие размеры площадок осреднения перекрывают погрешности определения координат землетрясений. Число толчков, произошедших в элементарной площадке, приписывалось центру соответствующей площадки. Изолинии плотности эпицентров построены при линейной аппроксимации и имеют следующую градацию - п=25; п=50; п=15; w=100; w=150; w=200; w=250 и т.д. сейсмических событий. На рис. 2.1.4 и рис.2.1.6 выделяются полосы повышенной концентрации эпицентров землетрясений, обычно согласующиеся с зонами основных разломов. В ряде мест участки повышенной концентрации эпицентров имеют вид компактных плотных “пятен”, которые могут как соответствовать зонам пересечения разломов, так и локализоваться без какой-либо пространственной приуроченности к известным деструктивным элементам литосферы. Как правило, области повышенной концентрации эпицентров толчков соответствуют очаговым зонам сильных сейсмических событий второй половины 20-го столетия [Джурик и др., 2009]. Наиболее отчетливо прослеживается связь сильных землетрясений и высокой плотности эпицентров в Бусийнгольской впадине, в пределах которой за период инструментальных наблюдений были зарегистрированы два землетрясения с КР=Ы (1974, 1976 гг.) и одно с Р=16.2 (1991 г.), сопровождавшиеся продолжительными сериями афтершоков. Аналогичная ситуация наблюдается в районах Могодского 1967 г. (М=7.8; КР=17), Урэгнурского 1970 г. (М=7; КР=16) и Тахийншарского 1974 г. (М=6.9; КР=16), Чуйского 2003 (М=7.3; Р=17) землетрясений и их афтершоковых последовательностей. Поэтому значительный интерес вызывает вопрос о соотношении сейсмических событий, обусловленных сильными землетрясениями, и явно не связанных с ними, и их роли в формировании эпицентральных полей. Можно утверждать, что группирующиеся сейсмические события оказывают существенное влияние на формирование карты эпицентров толчков и параметры сейсмичности, особенно на рекуррентные интервалы и вероятности сильных землетрясений. Поскольку сильные землетрясения и их афтершоковые серии отражают пространственно-временные вариации НДС земной коры, то исключение их из анализа сейсмичности может привести к искажению распределения напряжений и деформаций в пространстве и времени. Однако для целей сейсмического районирования необходимо знать “средний” сейсмический режим, позволяющий спрогнозировать долговременный средний уровень сейсмичности с минимизированными импульсными вариациями. Изолинии повышенной плотности эпицентров землетрясений дают возможность выделения локальных зон высокой концентрации сейсмических событий w 100, которые соответствуют зонам Могодского, Урэгнурского, Бусийнгольского и Чуйского землетрясений, причем плотность толчков в зоне Бусийнгольского землетрясения 1991 года превышает 3000 событий. Видно, что между этими зонами имеется подобие в формировании эпицентрального поля. Во-первых, гипоцентры сильных землетрясений расположены в плоскости субдолготного простирания. Во-вторых, как правило, эти зоны ограничены “пустыми” зонами. В-третьих, эти зоны характеризуются высокой плотностью толчков, являющейся следствием продолжительных афтершоковых серий [Цибульчик, Филина, 1976; Филина, 1997; Голенецкий, 1997]. Наблюдаемая картина изолиний плотности эпицентров толчков создана пространственной дискретностью основных разломных зон, которые являются главными источниками квазилинейного распределения очагов землетрясений. Субдолготное расположение землетрясений хорошо отвечает меридиональной направленности разломов в районе Могодского, Урэгнурского, Бусийнгольского и Чуйского землетрясений.
Пространственно-временные свойства сейсмогеодинамики литосферы Монголии по данным о фокальных механизмах землетрясений и параметрах bM и M0
Лабораторные эксперименты и сейсмологические наблюдения показали, что пространственно-временные вариации сейсмичности, предшествующие и сопутствующие геодинамическим перестройкам и сильным землетрясениям, являются одними из наиболее характерных геофизических явлений [Лукк и др., 1996; Соболев, Пономарев, 2003; Джурик и др., 2009]. На феноменологическом уровне такие явления обычно ассоциируются с приближением к критическому значению некоторого “управляющего параметра”, характеризующего эволюцию напряженно-деформированного состояния среды. Приближение к критическому значению приводит нагружаемый объект в метастабильное состояние, которое может закончиться катастрофой определенного масштабного уровня. В этом представлении термин “катастрофа”, как сильное землетрясение, имеет реальное наполнение в совокупности выраженных изменений в динамике напряжений и деформаций среды и в скорости сейсмического потока, происходящих за очень короткое время по сравнению с длительностью группы толчков или сейсмического цикла [Лукк, Дещеревский, 2006]. Кроме того, с приближением во времени к критическому значению увеличивается корреляционное расстояние, на котором можно наблюдать и выделить сопутствующие предвестниковые и когерентные явления. Эффект разнесенных в пространстве пар сильных землетрясений, происшедших на территории Памира и Тянь-Шаня [Прозоров, 1990], Центральной и Южной Азии [Копничев и др., 2002] и в Байкальском регионе [Klyuchevskii, Khlebopros, 2013], может быть обусловлен ростом корреляционного расстояния. Изучение разномасштабных процессов синхронизированных кооперативных деформаций в неоднородных средах выполняется в рамках физической мезомеханики, синергетики и нелинейной динамики систем [Панин, 2000; 2001; Николис, Пригожин, 2003; Смирнов и др., 2005; Соболев, Любушин, 2006]. Полученные выше результаты указывают на высокий уровень корреляции динамики выделения сейсмической энергии землетрясениями Байкальского региона и Монголии, что позволяет выдвинуть предположение о существенной роли Байкальского рифтогенеза в формировании сейсмичности и сейсмотектонических деформаций на территории Монголии.
Данный параграф диссертации посвящен исследованию и анализу корреляции скорости потока землетрясений в Монголии. Основной задачей было выявления эффектов и периодов синхронизации сейсмотектонических деформационных процессов, происходящих в литосфере МБР. В рамках поставленной задачи определены корреляции годовых чисел толчков с КР 9, происшедших в Байкальском регионе (трех входящих в него районах и шести участках) и Монголии (четырех составляющих ее областей и пяти районов) с 1964 по 2015 годы. Разделение территории МБР на области-районы и использование выборок данных различной длины дает возможность оценки корреляции сейсмичности на разных пространственно-временных масштабах и выявления статистически значимых периодов синхронизации скорости потока землетрясений на разделенных территориях.
Корреляционный анализ относится к наиболее распространенным методам изучения отношений между элементами сложной динамической системы. При исследовании корреляции скорости сейсмического потока в диссертации использованы временные ряды годовых чисел землетрясений N с КР 9, происшедших с 1964 по 2015 годы в пределах Байкальского региона, Монголии и входящих в них территорий [Klyuchevskii, Demberel, 2012]. Годовые ряды чисел N разделены на выборки длиной в три года (L3), пять (L5) и десять (L10) лет, временной сдвиг между выборками N сравниваемых пар территорий равен нулю, шаг расчетов равен одному году. По реализациям одной длины вычислены коэффициенты парной линейной корреляции р сравниваемых территорий, а полученное значение р приписывается середине временного интервала каждой реализации. Используемый подход позволяет выделить периоды синхронизации скорости сейсмического потока различных территорий, которые указывают на когерентность сейсмических процессов в МБР при положительных высоких коэффициентах корреляции, наблюдаемых в это время. Для статистической оценки значимости наблюдаемых корреляций в сейсмическом процессе вычислены суммы годовых значений коэффициентов корреляции S, нормированные на число коррелируемых пар п (Sin), и стандартное отклонение а. Участки графиков с высоким уровнем нормированной суммарной корреляции Sin при небольших а детерминируют эпизоды синхронизации скорости потока землетрясений на территории Монголии и МБР.
Графики вариаций коэффициента корреляции р годовых чисел 7V землетрясений Монголии и четырех областей (а); Монголии и северных областей (б); Монголии и юго-западных областей (в); г - график нормированной суммарной корреляции 5/4 по выборкам длиной в три года, пять и десять лет. М-ц, М-с, М-ю, М-з - пары коррелируемых территорий для выборок длиной три года: Монголия - центр, Монголия - север, Монголия - юг и Монголия - запад соответственно.
На рис.2.3.1 представлены графики вариации р годовых чисел N землетрясений Монголии и четырех входящих в нее областей и графики нормированной суммарной корреляции S/4 по выборкам длиной в три года, пять и десять лет. На рис. 2.3.1а показаны графики рпар коррелируемых территорий для выборок длиной три года: Монголия - центр, Монголия - север, Монголия - юг и Монголия - запад. Наблюдается согласованность графиков в отдельные интервалы времени, но загруженность рис. 2.3.1а не позволяет выявить особенности поведения параметра р. Поэтому на рис. 2.3.1б, в эти графики представлены раздельно для северной-центральной и юго-западной Монголии. Видно, что эти пары территорий имеют достаточно хорошее совпадение, что указывает на лучшую синхронизацию скорости землетрясений отдельно в северной-центральной и юго-западной Монголии. Обобщение данных на рис. 2.3.1г представлено графиком нормированной суммарной корреляции S/4 по выборкам длиной в три года, пять и десять лет. Выделяются четыре интервала синхронизации скорости потока землетрясений Монголии: в конце-начале 1970-х, в конце-начале 1980-х, начале 1990-х и в 2005-2010 годах. Графики имеют колебательный характер, а коэффициент корреляции варьирует в пределах -1 р 1 (рис. 2.3.1 г). Высокие положительные значения коэффициента корреляции (р 0.7) одновременно во всех четырех парах сравниваемых территорий (рис. 2.3.1а, б, в) корреспондируют с максимумами на графике SIA при высоком уровне значимости. При увеличении длины реализации графики SIA имеют расширенные максимумы, количество которых не меняется (рис. 2.3.1 г). Анализ графиков нормированной суммарной корреляции S/4 показывает, что основные эпизоды синхронизации потока землетрясений Монголии и четырех областей имеют небольшую длительность и приурочены к указанным выше интервалам времени.
Обработка данных геофизической мониторинговой сети и основные результаты исследований
Ранее расчеты рекуррентных интервалов и вероятности сильнейших землетрясений были выполнены по данным шкалы КР и шкалы магнитуд Мш (для землетрясений с магнитудойА4я 4.0), зарегистрированных в пределах Монголии с 1960 г. по 1991 г. [Ключевский и др., 2005]. Включение материалов с магнитудой Мш обусловлено необходимостью сопоставления результатов, полученных при использовании шкал К? и Мш, а массовые определения магнитуды выполнены при формировании третьего листа каталога землетрясений Северной Евразии только до 1991 г. [Голенецкий и др., 1993]. В работе [Ключевский и др., 2005] показано, что рекуррентные интервалы землетрясений Монголии, определенные по шкале классов К? и шкале магнитуд Мш, совпадают для согласованных К? и Мш.
При вычислении рекуррентных интервалов сильнейших землетрясений Монголии использован метод, основанный на принципе максимума энтропии [Dong et al., 1984]. Согласно с этой работой, функция плотности вероятности ДМ) магнитуды М, ограниченной в пределах Mmin М Мтах, может быть представлена в виде: /(М)=Я ехр(-ЛМ)/ [ехр(-ЛМтН) - ехр(-ЛMmJ], (2.4.1) где Мтах - магнитуда максимально возможного землетрясения в исследуемом регионе, МтШ - магнитуда минимальных толчков, используемых в расчетах, а параметр Л вычисляется из формулы: МЛ + [Мтп ехр(-ЛМтп) -Мтах ехр(-ЛМтах)]/ [ехр(-ЛМтп) - ехр(-ЛМта};)]=Мav, (2.4.2) в которой М av - среднее значение магнитуды всего массива данных. Распределение чисел землетрясений по магнитуде можно получить, интегрируя выражение (2.4.1) по Мв пределах отМ до Мтах [Sun, Pan, 1995]: N(M)=N(Mmin) [ехр(-ЛМ) -ехр(-ЛМтах)]/ {ехр(-ЛМтН) - ехр(-ЛМтах)\ (2.4.3) Здесь N(M) - число землетрясений с магнитудой, превышающей М, N(Mmin) - число толчков с магнитудой, равной или большей Mmin. Следуя [Dong et al., 1984; Sun, Pan, 1995] и применяя принцип максимальной энтропии к распределению землетрясений по энергетическим классам К?, можно получить формулы, аналогичные (2.4.1 - 2.4.3) с заменой магнитуд на К?. Проверка возможности такого преобразования была выполнена при расчете рекуррентных интервалов и вероятности сильнейших землетрясений Байкальской сейсмической зоны и Монголии по данным шкалы магнитуд Мш и шкалы энергетических классов КР и показала хорошее совпадение результатов [Ключевский и др., 2005; Demberel et al., 2012а].
Оценки вероятности сильнейших землетрясений Монголии получены в предположении, что распределение сейсмических толчков во времени соответствует закону Пуассона [Cornell, 1968; Lomnitz, 1973]. Стационарный процесс Пуассона широко используется при моделировании временных последовательностей землетрясений [Gardner et al., 1974; Jackson et al., 1995; Уломов, 1999]. В соответствии с этим распределением, вероятность Р того, что за время t произойдет одно или больше землетрясений с магнитудой, превышающей М, равна [Sun, Pan, 1995] Р= l-exp[ х N(M)l (2.4.4) Подставляя (2.2.3) в (2.2.4), получаем вероятность исполнения за время t одного или больше толчков с магнитудой, равной или большей М: P=l-exp{[ х N(Mmn) х [ехр(-Ш) - ехр(-АМтах)]/ [ехр(-ЯМтт) - ехр(-ЯМтах)]}. (2.4.5) Переписав формулу (2.4.5) в виде М= - MX In { ехр(-ЯМтах) - [ехр(-ЯМтт) - ехр(-ЯМтах)] х In (\-P)l[ tx N(Mmi„)]}, (2.4.6) можно оценить магнитуду землетрясения, которое произойдет с заданной вероятностью в пределах некоторого временного интервала t. Параметр Л был вычислен по формуле: Л=ЬЫ10, (2.4.7) предложенной в [Sun, Pan, 1995], где Ъ - наклон магнитудного графика повторяемости землетрясений (график Гутенберга-Рихтера). При вычислении параметра Л для энергетических классов КР использовалась формула, аналогичная
117 (2.4.7), с заменой коэффициента Ъ на наклон у графика повторяемости землетрясений. Влияние условия Мтах - », введенного в работе [Sun, Pan, 1995], оценено посредством сопоставления рекуррентных интервалов при значениях Л, определенных по (2.4.2) для величин Мтах = 8.0, Мтах = 8.5, Мтах = 9.0 и Мтах - », по данным из той же работы. Установлено, что значения параметра Л, вычисленные при этих Мтах, имеют отличие в пределах сотых долей. Подстановка Л в формулу (2.4.3) с дальнейшим пересчетом ожидаемой частоты события в рекуррентный интервал показала, что максимальные различия в рекуррентных интервалах землетрясений магнитудыМне превышают 8 % [Ключевский и др., 2005]. Таким образом, замена Мтах - ао наМтах = 8.0, Мтах = 8.5, Мтах = 9.0 при расчетах Л может обусловить незначительные изменения этого параметра, что дает возможность применения формулы (2.4.7) с использованием значений у.
Наклоны у графика повторяемости землетрясений определены по методу наименьших квадратов для Монголии, входящих в нее четырех областей и пяти районов [Demberel et al., 2012а]. В таблице 2.4 приведены результаты определения ожидаемых частот N(KP) и рекуррентных интервалов Т землетрясений этих 10 территорий. В таблице 2.5 представлены результаты вычислений возможного энергетического класса КР сильнейших землетрясений Монголии, четырех областей и пяти районов за пятьдесят лет при уровне вероятности Р. В таблице 2.6 приведены оценки вероятности Р сильнейших землетрясений этих территорий за этот же интервал времени. Анализ полученных результатов указывает на сильное влияние афтершоков, что выдвигает задачу детального исследования и выделения групп землетрясений Монголии. Также отмечается влияние реализации сильнейшего землетрясения Монголии за исследуемый интервал времени -Могодского землетрясения 1967 г., М=7.8. Так для Севера, Центра и Орхон-Туул периоды повторяемости сильных землетрясений необоснованно коротки, что обусловлено сильным увеличением наклона у графика повторяемости этих территорий под влиянием Могодского землетрясения с р=17. Здесь тоже предстоит дальнейшая работа по минимизации этого эффекта - использование других методов регрессии, метода максимального правдоподобия