Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы геодинамических исследований 11
1.1. Классические геодезические методы 11
1.2. Методы космической геодезии 12
1.3. Глобальная система позиционирования GPS 16
1.4. Обработка и анализ GPS измерений 21
1.5. Выводы 26
ГЛАВА 2. Современная геодинамика острова Сахалин 28
2.1. Современные движения острова в рамках плитовой тектоники 29
2.2. Региональные деформации острова
2.2.1. Северный Сахалин 37
2.2.2. Центральный Сахалин 38
2.2.3. Южный Сахалин 40
2.3. Выводы 43
ГЛАВА 3. Моделирование косейсмических смещений и деформаций земной поверхности 45
3.1. Смещения и деформации в модели дислокации прямоугольного источника 46
3.2. Дислокационная модель очага Углегорского землетрясения 4 (5) августа 2000 г 52
3.2.1. Тектоническое положение и основные параметры сейсморазрыва 53
3.2.2. Исходные геодезические данные 55
3.2.3. Модель очага и деформации земной поверхности в эпицентральной зоне 57
3.3. Дислокационная модель очага Невельского землетрясения 2 августа 2007 г 55
3.3.1. Деформации земной поверхности по данным спутниковой радиоинтерферометрии 66
3.3.2. Моделирование очага 68
3.4. Выводы 73
ГЛАВА 4. Геодинамические GPS исследования на Курильских островах ... 75
4.1. Развитие геодинамической сети 75
4.2. Дислокационные модели очагов Симуширских землетрясений 15.11.2006 г. и 13.01.2007 г 78
4.3. Межсейсмические скорости движений Курильских островов 90
4.4. Выводы 94
Заключение 96
Литература 99
- Глобальная система позиционирования GPS
- Северный Сахалин
- Дислокационная модель очага Углегорского землетрясения 4 (5) августа 2000 г
- Дислокационные модели очагов Симуширских землетрясений 15.11.2006 г. и 13.01.2007 г
Введение к работе
Актуальность исследования. В рамках глобальной тектоники плит современная геодинамика Сахалино-Курильского региона определяется конвергенцией (схождением) Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской литосферных плит. В последние годы методы космической геодезии позволили осуществлять прямые измерения современных движений литосферных плит и деформаций граничных областей с высокой точностью, подтверждая или опровергая многие гипотезы их взаимодействия. Однако, вопросы иерархии литосферных плит в северо-восточной Азии и выделение малых плит: Амурской и Охотской, отсутствующих в общепринятой глобальной геологической модели Земли NUVEL - 1А, остаются предметом обширных дискуссий (Zonenshain and Savostin, 1981; Сено, 1995; Seno et al., 1996; Wei and Seno, 1998; Takahashi et al, 1999; Heki et al, 1999). Актуальность работы состоит в получении и анализе инструментальных GPS (Global Positioning System) данных о скоростях движений и деформаций земной поверхности в Сахалино-Курильском регионе, являющихся основой для построения геодинамических моделей, а также в развитии сети GPS наблюдений на Курильских островах, где подобные исследования до 2005 г. не выполнялись.
Не менее важной задачей геодинамических исследований является изучение деформаций земной поверхности локального и регионального масштабов, которые позволяют устанавливать их связь со структурно-геологическими особенностями района исследований. Существенное место в этой проблеме занимает изучение деформаций и смещений земной поверхности в районах активных разломов - главных зонах генерации сильных землетрясений. Инструментально измеренные косейсмические подвижки, содержащие наиболее прямую и достоверную информацию о разрывах в очагах, позволяют однозначно установить механизм сильных землетрясений и оценить их параметры, что отличает геодезические исследования от сейсмологических методов, основанных на точечном представлении модели очага. Кроме того, только непрерывные высокоточные GPS измерения дают возможность исследования процессов подготовки землетрясений и постсейсмической релаксации напряжений.
Целью работы является изучение геодинамики Сахалино-Курильского региона по данным непрерывных и периодических GPS наблюдений, моделирование механизмов очагов сильных землетрясений на основе инверсии измеренных косейсмических деформаций и смещений земной поверхности.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований:
- выполнение периодических GPS измерений в локальных и региональных сетях Сахалина для получения достоверной оценки скоростей современных движений на основе предшествующих измерений;
выявление связи современных горизонтальных движений земной поверхности со структурно-геологическими особенностями региона и оценка повторяемости крупных сейсмических событий;
определение параметров сейсмических событий методом инверсии измеренных косейсмических смещений земной поверхности;
- получение первых инструментальных данных о геодинамических
процессах в Курильском регионе в непосредственной близости к зоне со
членения Североамериканской и Тихоокеанской литосферных плит.
Защищаемые положения:
Установлен современный характер деформирования земной поверхности о. Сахалин. На всем протяжении острова преобладают деформации субширотного сжатия, повсеместно сопровождаемые правосторонним сдвигом. Наиболее интенсивное накопление напряжений со скоростью 5-6 мм/год выявлено на севере и в южной части острова. В рамках плитовой тектоники остров перемещается относительно Евразии в западном направлении со скоростью от 2.5 мм/год на севере до 7.6 мм/год в южной части, что составляет 40-80% от региональных скоростей конвергенции Североамериканской и Евразийской плит. По геодезическим данным оценены периоды повторяемости сейсмических событий для районов Нефтегорского 1995 г. (Mw=7.0), Углегорского 2000 г. (Mw=6.8) и Невельского 2007 г. (Mw= 6.2) землетрясений.
На основе зафиксированных косейсмических смещений земной поверхности построены дислокационные модели очагов крупнейших сейсмических событий Сахалино-Курильского региона, произошедших в последние годы:
Углегорского землетрясения 2000 г. (Mw= 6.8) - методом инверсии вертикальных косейсмических смещений;
Симуширских землетрясений 2006 г. (Mw= 8.3) и 2007 г. (Mw= 8.1) - методом инверсии горизонтальных косейсмических смещений;
Невельского землетрясения 2007 г. (Mw = 6.2) - на основе совместного анализа спутниковых данных о деформациях земной поверхности, являющихся суперпозицией вертикальных и горизонтальных смещений, и сейсмологических данных о механизме очага.
Определены тип и величины подвижек в очагах, установлены геометрические параметры сейсморазрывов.
3. Оценена глубина залегания зоны механического контакта Тихооке
анской и Североамериканской (Охотской) литосферных плит для юга и се
вера Курильской островной дуги. Межсейсмические скорости GPS станций
свидетельствуют о значительном накоплении напряжений на южном фланге
дуги.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые для Сахалино-Курильского региона получены оценки скоростей горизонтальных тектонических движений, являющиеся основой для последующего построения гео-
динамических моделей взаимодействия Североамериканской (Охотской), Евразийской (Амурской) и Тихоокеанской литосферных плит.
Методом инверсии измеренных косейсмических смещений земной поверхности построены дислокационные модели механизмов очагов сильнейших землетрясений региона, произошедших в последнее время. Установлен тип подвижки в очагах и определены параметры сейсморазрывов. На основе полученных геодезических данных сделаны оценки периодов повторяемости сейсмических событий для районов исследований.
Практическая значимость. Инвестиционная привлекательность Сахалинской области потребовала обоснования оценок сейсмической опасности при строительстве крупных инженерных сооружений и магистральных трубопроводов. Составной частью этих оценок являются инструментальные данные о пространственно-временных закономерностях деформирования земной поверхности различной степени детальности в районах активных разломов Сахалина (Северо-Сахалинского, Тымь-Поронайского, Западно-Сахалинского, Апреловского и др.). Прямое измерение косейсмических подвижек в результате сейсмического события позволяет исследовать механизм очага и оценить его параметры, а также рассчитать модельные величины деформаций и смещений земной поверхности, востребованные в прикладных и инженерных задачах.
Существующие модели плитовых движений в северо-восточной Азии, при недостатке инструментальных данных, в основном, базируются на сейсмологических исследованиях. Инструментальные данные о современных движениях земной поверхности Сахалина и Курильских островов имеют большое научное значение для установления конфигурации литосферных плит и построения геодинамических моделей их взаимодействия.
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались на конференциях и молодежных научных школах (г. Южно-Сахалинск, 2004, 2006, 2007, 2008 гг.); региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г. Владивосток, 2004 г.); научном семинаре Института сейсмологии и вулканологии Хоккайдского университета (Саппоро, Япония, 2005 г.); Международных научных симпозиумах и конференции по сейсмологии (г. Южно-Сахалинск, 2005, 2007, 2008 гг.); ассамблее Американского Геофизического Союза AGU-2007 (г. Сан-Франциско, США, 2007 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, 4 из которых в реферируемых изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 113 страницах текста. Работа содержит 30 рисунков, 11 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает в себя 94 наименования, в том числе 43 на иностранных языках.
Глобальная система позиционирования GPS
До начала 90-х гг. прошлого столетия классические методы повторных геодезических измерений были основными при изучении современных движений земной коры. Для установления пространственно-временных закономерностей деформаций земной поверхности создавались геодинамические полигоны локального, реже регионального масштабов.
Основными методами изучения горизонтальных движений и деформаций земной поверхности являлись триангуляция и светодальномерная трилатерация. Максимально достижимая точность этих методов ограничена величинами 0.3 0.4" и 0.5-0.7-10"6 D (км) мм. Тем не менее, триангуляция и трилатерация оказались вполне приемлемыми для локальных исследований. Применение их в региональных и крупномасштабных исследованиях существенно ограничено накоплением ошибок с расширением изучаемых объектов, а выполнение измерений связано с высокой стоимостью работ и большой трудоемкостью организации наблюдений.
Для изучения вертикальных движений используется метод повторного высокоточного нивелирования I - II классов с ошибками, не превышающими по абсолютной величине 3-4 мм /і (где L - периметр полигона или длина хода в км). Его применяют для решения задач геодинамики в региональном плане, при решении проблемы прогноза землетрясений, а также при изучении локальных структур, строительстве и эксплуатации крупных инженерных сооружений и других целях. Несмотря на высокую стоимость работ и трудоемкость метода повторное нивелирование, в силу его высокой точности, до сих пор широко применяется для решения локальных и региональных задач геодинамики.
В конце XX столетия методы классической геодезии в решении геодинамических задач были практически вытеснены методами космической геодезии. Высокая точность этих методов при определении взаимного положения точек земной поверхности впервые позволила решать не только локальные и региональные задачи геодинамики, но и выполнять исследования в глобальных масштабах [55, 74].
Существующие методы космической геодезии основаны на слежении за различными космическими объектами: искусственными спутниками, звездами, квазарами и др. Для изучения современных движений земной коры, а также исследований в других областях геодинамики регионального и глобального масштабов в настоящее время применяются три основных метода космической геодезии: длиннобазисная радиоинтерферометрия (VLBI), лазерная локация спутников (SLR) и глобальные системы позиционирования (GPS/ГЛОНАСС). Отдельно следует упомянуть метод спутниковой радиоинтерферометрии, широко применяемый в последние годы для изучения сейсмических и вулканических деформаций земной поверхности. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, а их выбор зависит от характера решаемых задач.
Длиннобазисная радиоинтерферометрия VLBI (Very Long Baseline Interferometry) [79] основана на одновременном наблюдении удаленных внегалактических квазаров с различных точек на земной поверхности с помощью радиотелескопов, оснащенных независимыми локальными атомными часами. VLBI позволяет оценивать воздействие на Землю гравитационных сил ц Солнца и Луны, исследовать суточное движение полюсов (нутацию), что в свою очередь дает возможность изучать глубинное строение Земли.
Измерение разности времен прихода радиоволн на станциях позволило применить метод в геодинамических исследованиях. Сравнение фаз радиосигнала, принимаемого разными станциями, позволяет вычислить -разность расстояний до общего источника. При достаточном количестве одновременно наблюдаемых радиоисточников можно определить относительные координаты положения станций. Точность измерений составляет 1-2 мм и практически не зависит от расстояния между пунктами.
В настоящее время насчитывается более пяти десятков станций VLBI, большая часть которых расположена в Европе и Северной Америке. Центры сбора и обработки данных расположены в США, Европе и Японии [80].
Основными условиями, ограничивающими применение VLBI для геодинамических исследований, являются высокие затраты на функционирование системы, громоздкость аппаратуры (в частности радиотелескопов) и трудоемкость обработки данных. В геодинамичесішх исследованиях локального и регионального масштабов длиннобазисная радиоинтерферометрия практически не применяется.
Лазерная локация спутников SLR (Satellite Laser Ranging) основана на определении расстояний с помощью наземных лазеров до активных спутников-высотомеров (ERS1, TOPEX/POSEIDON), снабженных уголковыми отражателями. SLR система функционирует более двадцати лет и насчитывает около четырех десятков наземных станций, расположенных на всех континентах [62]. Она является основной в определении Международной Земной Системы Относимости (ITRF) и используется для определения координат станций и скоростей их перемещения, оценки параметров вращения Земли, приливов и гравитационного поля, а также позволяет следить за океанической циркуляцией, проводя топографию океана и ледовой толщи.
Точность, получаемая при определении координат SLR методом, находится в диапазоне от нескольких миллиметров до первых сантиметров. Она зависит от оборудования, применяемого на станциях, а также от качества моделирования атмосферы. Точность измерения базисных линий на Земле в значительной степени зависит от моделирования гравитационного поля и-движения станций, используемых при динамических решениях.
Ограничением применимости системы в геодинамических исследованиях являются чувствительность оценки геодезических параметров к ошибкам определения орбит спутников, а также высокие затраты и громоздкость аппаратуры лазерной локации спутников.
Спутниковая радиоинтерферометрия является аналогом стереосъемки и основана на обработке двух радиолокационных снимков, получаемых спутниками на базе менее 300 м [92]. По результатам сравнения двух снимков одного и того же участка местности площадью около 100x100 км получают картину смещений земной поверхности по направлению на спутник. Смещения обычно представляются в виде цветной дифференциальной интерферограммы, один цикл которой соответствует 11.8 (11.765) см. При фазовой ошибке 10 погрешность определения смещений составляет 3.3 мм. Получаемая одномерная картина деформирования является суперпозицией горизонтальных и вертикальных смещений и не обеспечивает однозначность интерпретации геодинамических процессов за время между снимками. Основное ограничение для применения метода спутниковой радиоинтерферометрии в геодинамических исследованиях — плохие отражающие свойства земной поверхности (влажная почва, снеговой покров, лес и т.д.) и погодные условия.
Глобальные системы позиционирования GPS/ГЛОНАСС (Global Positioning System / Глобальная Навигационная Спутниковая Система) относятся к спутниковым геодезическим системам второго поколения [39]. Основой применения GPS является измерение расстояний от наземных станций до активных спутников, излучающих сигналы специальной формы. Расстояния определяются по времени прохождения излучаемого сигнала до наземного приемного устройства. Время прохождения сигнала определяется из сравнения времени прихода сигнала по часам приемника с отметкой времени, получаемой волновым пакетом в передатчике по часам спутника. Существуют приемники нового типа, одновременно использующие сигналы GPS и ГЛОНАСС систем, что повышает точность измерений.
Северный Сахалин
На севере о. Сахалин граница Североамериканской (Охотской) и Евразийской (Амурской) литосферных плит может быть отождествлена с зоной активного скалывания между Гыргыланьи-Дагинским и Северо-Сахалинским (Пильтунским) разломами, между которыми располагается диагональный Верхне-Пильтунский разлом, вскрывшийся в результате Нефтегорского землетрясения 1995 г. Mw = 7.0 (рис. 2.6).
Геодинамические GPS наблюдения 2003-2006 гг. на поперечном профиле, расположенном на широте около 5307 N и пунктах, контролирующих северные окрестности Нефтегорского сейсморазрыва, позволили установить характер деформирования земной поверхности севера острова после Нефтегорского землетрясения [6]. Четко прослеживаются региональные субширотные деформации со скоростью 3 мм/год с преобладанием деформаций правостороннего сдвига со скоростью 5-6 мм/год. Интересна зона пониженных скоростей между Северо-Сахалинским и Гыргыланьи-Дагинским разломами, которая может указывать на последующее (после Нефтегорского землетрясения) накопление напряжений в этом районе (рис. 2.6).
Исходя из полученных скоростей, период повторяемости сильнейших землетрясений, подобных Нефтсгорскому, может быть оценен величиной - 750 лет, что согласуется с установленными интервалами 400-1200 лет между катастрофическими палеоземлетрясениями региона [4, 36]. 54
В центральной части о. Сахалин региональные геодинамические наблюдения выполняются на шести пунктах поперечного профиля, пересекающего остров на широте около 50N, и пунктах UGLE и PORE, расположенных южнее (прил. 2). Исследования в эпицентральной зоне Углегорского землетрясения 2000 г. Mw = 6.9 представлены в главе 3.
GPS наблюдения на пунктах поперечного профиля центрального Сахалина проведены в 2000 г. (спустя 3 месяца после Углегорского землетрясения), 2002 и 2005 гг. За весь период наблюдений в этом районе не зарегистрировано крупных сейсмических событий. Удаленность станций от эпицентра Углегорского землетрясения и трехмесячный интервал времени после события до первой эпохи наблюдений дают основание полагать, что полученные скорости не подвержены влиянию постсейсмических эффектов, сопровождавших это землетрясение.
Схема скоростей горизонтальных деформаций земной поверхности за период 2000-2005 гг. построена в локальной системе координат (рис. 2.7).
Современные горизонтальные деформации среднего Сахалина имеют две составляющие: сжатия и правостороннего сдвига. Относительно предшествующего периода наблюдений 2000-2002 гг. [5, 72] характер деформирования этой части острова существенно не изменился. Однако наблюдения за 5-ти летний период имеют гораздо лучшую оценку точности. В результате полученные величины скоростей деформаций более представительны: скорость субширотного сжатия можно оценить величиной 2-3 мм/год, скорость правостороннего сдвига - до 2 мм/год, что весьма важно для оценки периода повторяемости сильнейших землетрясений в этом районе. В целом скорость деформации земной поверхности центральной части о. Сахалин составляет 3-4 мм/год по азимуту 45. 142 144
На юге о. Сахалин граница Евразийской (Амурской) и Североамериканской (Охотской) литосферных плит может быть отождествлена с зоной скалывания между Западно-Сахалинским, Тымь-Поронайским и Апреловским разломами (рис. 2.2 б, 2.8). По геологическим данным, западной части юга острова длительное время, включая голоцен, присуща правосдвиговая компонента смещений. Тымь-Поронайский разлом не имеет признаков активности в позднем плейстоцене-голоцене, в то время как современная активность Западно-Сахалинского и Апреловского разлома не вызывает сомнений [4, 25, 49].
Геодинамическая сеть для изучения деформаций земной поверхности юга Сахалина в процессе исследований (1999, 2002, 2003 и 2005 гг.) постоянно дополнялась новыми пунктами наблюдений. На последнюю дату наблюдений созданы три детальных поперечных профиля, пересекающих остров на широтах от 47 04 до 46 34 (Приложение 2).
В качестве опорной для всех эпох наблюдений использована фундаментальная IGS станция YSSK.
Для выявления характера региональных деформаций построена обобщенная схема скоростей горизонтальных смещений всех пунктов за период 1999-2005 гг. (рис. 2.8). В первую очередь для южной части о. Сахалин следует отметить интенсивное сжатие островной суши в субширотном направлении. За инструментальный период наблюдений скорость сжатия составляет 5-6 мм/год [6, 27, 29].
Деформации правостороннего сдвига со скоростью 2-3 мм/год проявляются в западной части геодезической сети. По сейсмологическим данным эта часть юга острова является зоной повышенной сейсмичности и находится под воздействием напряжений сжатия. За период геодинамических исследований самые значительные землетрясения здесь произошли в августе 2006 г. Mw= 5.6 [20], а также в зоне Западно-Сахалинского разлома на шельфе острова в августе 2007 г. Mw= 6.2 [49].
Скорости относительных перемещений пунктов YS03-YS09 и PTRL, контролирующих зону Апреловского разлома малы. Однако зона скалывания между Тымь-Поронайским и Апреловским разломами сейсмически активна. К этому району приурочена коровая сейсмичность последних лет [44]. Здесь отмечается наибольший градиент поля упругих напряжений, который проявляется во взбросово-сдвиговом дислокационном характере землетрясений [2]. В пользу наблюдаемого правостороннего сдвига в западной части геодинамической сети свидетельствуют геологические данные, а также заметная правосторонняя компонента смещения по субмеридиональной нодальной плоскости в очаге главного толчка Mw = 5.3 Такойского роя мелкофокусных землетрясений 2001 г. [51].
Дислокационная модель очага Углегорского землетрясения 4 (5) августа 2000 г
Подвижка в очаге Углегорского землетрясения произошла под действием близгоризонтальных сжимающих напряжений, ориентированных субширотно. После землетрясения характер деформирования земной поверхности в зоне Западно-Сахалинского глубинного разлома не изменился. По результатам повторных GPS наблюдений 2005 г. в эпицентральной зоне продолжается процесс интенсивного накопления субширотных горизонтальных деформаций сжатия со скоростью около 9 мм/год (рис. 3.5). Эта величина, скорее всего, является комбинацией постсейсмических и стационарных (вековых) скоростей. Действительно, скорости пунктов UG15 и UG19, первые наблюдения на которых были выполнены в 2001 г., имеют несколько меньшую величину относительно скоростей соседних пунктов UG06 и UG09, наблюденных в 2000 г. В этом случае реальная стационарная скорость накопления деформаций субширотного сжатия в районе исследований может составлять 5-7 мм/год, а период повторяемости сейсмических событий, подобных Углегорскому землетрясению 2000 г. по магнитуде и механизму очага, можно оценить величиной 350-450 лет.
Землетрясение 2 августа 2007 г. Mw = 6.2 произошло в Татарском проливе на юго-западном шельфе о. Сахалин (рис. 2.8). Его эпицентр пространственно тяготеет к зоне Западно-Сахалинского глубинного разлома [37]. Гипоцентры главного толчка и афтершоков зарегистрированы сетью автономных цифровых сейсмических станций Сахалинского филиала Геофизической службы РАН (СФ ГС РАН) с точностью порядка 2 км. Землетрясение вызвало цунами высотой до 2-2.5 м, разрушение зданий и сооружений, а также аномальное поднятие на 0.5-1.5 м скалистого бенча и молов порта г. Невельск [23, 49].
По данным GPS наблюдений на юге о. Сахалин преобладают деформации субширотного сжатия со скоростью 5-6 мм/год (раздел 2.2.3). Такая обстановка характерна и для ближайшего шельфа острова. Очаг Невельского землетрясения находился в условиях субширотного близгоризонтального сжатия. Тип подвижки в очаге - взброс (по обеим субмеридионально ориентированным нодальным плоскостям) с пренебрежимо малой сдвиговой компонентой смещения [67]. Распределение афтершоков по глубине указывает на западное падение плоскости сейсморазрыва под углом 45-50.
Деформации земной поверхности, связанные с Невельским землетрясением, получены японским спутником ALOS. Съемка района исследований выполнена 28 июля и 23 августа 2007 г. Обработка спутниковых данных выполнена с использованием пакета программного обеспечения SIGMA-SAR [85] доктором X. Такахаши в Институте сейсмологии и вулканологии Хоккайдского Университета (Саппоро, Япония). Цветная интерферограмма смещений земной поверхности (по направлению на спутник) в результате Невельского землетрясения переведена в черно-белый вариант с максимальным сохранением детальности и градацией оттенков через 2 см (рис. 3.6 а). Угол наклона радарной съемки к земной поверхности -51.
В районе исследований косейсмические смещения земной поверхности зафиксированы в полосе шириной менее 10 км и протяженностью около 30 км от п. Лопатино до п. Калинине. Зона деформирования согласуется с протяженностью облака афтершоков. В целом она разделяется на два протяженных симметрично деформированных участка с максимальными смещениями до 12 см в узкой береговой зоне и минимумом около 6 см в окрестностях п. Ловецкое. Локальный максимум (12 см) фиксируется к северо-востоку от п. Лопатино. На рис. 3.6 не показаны локальные смещения берега (протяженностью менее 300 м) в окрестностях г. Невельск, достигающие 20 см. Рис. 3.6. Схема деформаций земной поверхности по данным спутника ALOS. а - стрелкой показана траектория спутника; изображены главный толчок Невельского землетрясения Mw = 6.2 и афтершоки первых суток по данным сети автономных цифровых сейсмических станций СФ ГС РАН [49]; механизмы очагов и их магнитуды приведены по данным [67]; б - вертикальный разрез через облако афтершоков, зарегистрированных к северу от широты п. Ловецкое, по линии, перпендикулярной модельной плоскости сейсморазрыва главного толчка; жирной линией показана проекция модельной плоскости; в - вертикальный разрез через облако афтершоков, зарегистрированных к югу от широты п. Ловецкое, по линии, перпендикулярной модельной плоскости сейсморазрыва сильных афтершоков; жирной линией показана проекция модельной плоскости. Эти участки соответствуют районам аномального подъема скалистого бенча [23]. Небольшие неоднородности смещений земной поверхности субширотного направления, совпадающие с долинами рек, отмечаются в районах поселков Заветы Ильича, Ясноморский и Ловецкое. Эти неоднородности могут быть связаны с приповерхностными разломами, проходящими по долинам рек [12].
Одномерная картина деформаций береговой суши является суперпозицией вертикальных и горизонтальных смещений и не дает реального представления об их величинах.
Построение дислокационной модели очага Невельского землетрясения решено инверсией спутниковых данных о смещениях земной поверхности. Поиск оптимальной модели осуществлялся путем минимизации разностей деформаций по данным радиоинтерферометрии и модельных косейсмических вертикальных и горизонтальных смещений, спроецированных по направлению на спутник.
На начальном этапе, пренебрегая локальными неоднородностями деформирования, исследована возможность моделирования сейсмического события в целом единым взбросом по субмеридиональной плоскости, падающей на запад (по сейсмологическим данным). В этом случае описание картины деформирования береговой зоны возможно только подвижкой по плоскости, не выходящей на поверхность. Геометрические размеры плоскости можно оценить величинами 25x12 км, а дислокацию взброса - 1.7 м. Такие модельные параметры соответствуют сейсмическому событию с Mw = 6.7 при средней жесткости среды 3-Ю1 Па, что значительно превышает инструментально определенную магнитуду Невельского. землетрясения Mw = 6.2 [67].
Дислокационные модели очагов Симуширских землетрясений 15.11.2006 г. и 13.01.2007 г
Курильской геодинамической сети. Для станций юга (KUNH, SHKT, ITRP) и севера (PRMH) островной дуги, удаленных на 430-740 км от эпицентров этих землетрясений, межсейсмические скорости определены по результатам непрерывных наблюдений, выполняемых с июня-августа 2006 г. по ноябрь 2007 г. Вычисление межсейсмических скоростей выполнено следующим образом:
Межсейсмическая скорость для юга о. Уруп (VDLN) определена по данным повторных измерений 2005-2006 гг. В период между этими измерениями на Курильских островах не зафиксировано сейсмических событий, которые могли бы оказать влияние на результаты измерений [67].
Горизонтальные скорости анализируемых станций вычислены относительно Северной Америки (рис. 4.1, табл. 4.5). Учитывая короткий период наблюдений и влияние Симуширских землетрясений, точность их определения можно оценить величиной 2-3 мм/год. Направление скоростей станций согласуется с направлением поддвига Тихоокеанской плиты под Североамериканскую в глобальной геологической модели Земли NUVEL-1A. Для анализируемых станций следует отметить существенные различия в величинах межсейсмических скоростей. Горизонтальные скорости PRMH и ITRP оценены величиной 8 и 10 мм/год, соответственно, VDLN -17 мм/год, тогда как скорости перемещения KUNH и SHKT составляют 26 и 32 мм/год.
Межсейсмические скорости деформаций земной поверхности Курильских островов отражают процесс субдукции Тихоокеанской литосферной плиты под Североамериканскую в условиях механически сомкнутой зоны контакта. Для исследования наклонной границы между погружающейся океанической литосферой и нависающей над ней континентальной плитой в основном применяются сейсмические методы, основанные на определении положения и механизмов очагов землетрясений. Однако вопрос о глубине залегания зоны механического контакта трудно разрешим в рамках только сейсмологических исследований. Анализ межсейсмических GPS скоростей деформаций различных районов Курильской островной дуги позволяет оценить параметры субдуктивной зоны.
Поле деформаций земной поверхности можно смоделировать для упругого полупространства, разделенного наклонной плоскостью, вдоль которой происходит деформирование двух его частей (рис. 4.11). Пододвигающаяся океаническая плита сохраняет жесткость и движется с постоянной скоростью и как единое целое с остальной плитой, изменяя направление от горизонтального вблизи желоба до максимального наклона на глубинах в сотни километров. cos [arctan[(j/ + с cos 6) l(s sin S)]- л /2]}, где д — угол наклона контактной плоскости между плитами, и — скорость их сближения (субдукции), с - расстояние до желоба, s - наклонная глубина залегания зоны механического контакта. Для известных угла наклона и скорости субдукции можно сопоставить измеренные на поверхности GPS скорости с их модельными значениями и оценить глубину залегания зоны механического контакта.
Средний угол наклона зоны субдукции до глубин 60-80 км, где сосредоточены очаговые области сильнейших курильских землетрясений [45, 46], можно оценить из ориентации нодальных плоскостей сейсмологических решений механизмов очагов. Для землетрясений центральной и северной части Курильской островной дуги (севернее о. Кунашир) с магнитудой М 6.0 средний угол северо-западного падения нодальных плоскостей составляет 27 (по данным [67] с 1976 г.). Для южных Курильских островов - 23 . Для оценки глубины залегания зоны механического контакта Североамериканской (Охотской) и Тихоокеанской литосферных плит приняты следующие параметры: скорость субдукции в районе Курильского желоба 79 мм/год [42, 43]; направление субдукции (азимут движения Тихоокеанской плиты под Североамериканскую) 303 ; проекции межсейсмических скоростей станций Курильской геодинамической сети по направлению субдукции (рис. 4.1);
средний наклон субдукции: для юга Курильских островов - 23 , для центральных и северных островов - 27.
Результаты моделирования горизонтальных скоростей (сплошные линии) представлены на рис. 4.12. Глубина залегания зоны механического контакта на севере Курильской островной дуги (станция PRMH) составляет 30 км. Межсейсмические скорости станций ITRP и URUP центральных Курильских островов соответствуют глубине залегания 40 км. Скорости станций SHKT и KUNH (на островах Шикотан и Кунашир) свидетельствуют о значительном накоплении напряжений на южном фланге Курильской островной дуги и соответствуют глубине залегания зоны механического контакта 60 км. О 100 200 300
Моделирование горизонтальных скоростей на поверхности в зоне субдукции Тихоокеанской литосферной плиты под Североамериканскую (Охотскую) и межсейсмические скорости станций Курильской геодинамической сети.
Цифрами над линиями обозначены величины глубины нижнего края зоны контакта (s-sinS). Для глубин 10-40 км угол наклона зоны субдукции - 27, для глубин 50-70 км - 23.
Для исследования сейсмотектонических деформаций, обусловленных схождением Североамериканской (Охотской) и Тихоокеанской литосферных плит, на Курильских островах создана сеть высокоточных GPS наблюдений.
На станциях непрерывной GPS регистрации зафиксированы косейсмические смещения земной поверхности в результате Симуширских землетрясений 15.11.2006 и 13.01.2007 гг. Методом инверсии геодезических \ данных построены дислокационные модели землетрясений и определены параметры их очагов. Моделированием установлено, что подвижка в очаге землетрясения 15.11.2006 г. (взброс величиной 5.5 м) произошла по плоскости сейсморазрыва юго-западного простирания, полого падающей на запад под углом 12 . Измеренные косейсмические смещения в результате землетрясения 13.01.2007 г. соответствуют сбросу (4.9 м) по плоскости северо-восточного простирания, круто падающей на юго-восток под углом 70. Расчетные деформации морского дна эгащентральных областей использованы при моделировании цунами [47].
Для юга и севера Курильских островов получены первые инструментальные оценки межсейсмических скоростей тектонических движений. Сопоставление межсейсмических горизонтальных GPS скоростей с модельными скоростями в зоне субдукции Тихоокеанской и Североамериканской (Охотской) литосферных плит позволило оценить глубину залегания зоны механического контакта на различных участках Курильской островной дуги. Скорости станций на южном фланге Курильской островной дуги соответствуют глубине залегания зоны механического контакта около 60 км и свидетельствуют о значительном накоплении напряжений в этом районе.
