Содержание к диссертации
Введение
Воздействие цунами на побережье: геолого-геоморфологический аспект
1.1. Накат цунами на берег
1.2. Методика сбора информации о параметрах цунами и их последствиях
1.3. Эрозионный и аккумулятивный эффекты цунами
1.3.1. Эрозия побережий с валунно-глыбовыми пляжами, примыкающими к склонам коренного берега
1.3.2. Эрозионные эффекты цунами на побережьях с аккумулятивными террасами
1.3.3. Аккумулятивный эффект цунами
1.4. Характеристика отложений цунами и их отличие от других генетических типов отложений
1.4.1. Отличие отложений цунами от штормовых отложений
1.4.2. Отличие отложений цунами от эоловых отложений
1.4.3. Отличие отложений цунами от флювиальных отложений
1.5. Различие двух близких по времени событий или нескольких волн цунами
Выводы
Методика определения параметров палеоцунами
2.1. Общие принципы и подходы при поиске и идентификации отложений палеоцунами
2.2. Методика реконструкции древних береговых линий в условиях быстрой проградации побережья (на примере побережья Камчатского залива)
2.3. Методика определения направлений и скоростей вертикальных движений побережий и реконструкций высот заплесков палеоцунами (на примере полуострова
2.4. Геоморфологические следы эрозионного воздействия палеоцунами
Выводы
Глава 3 Косейсмические деформации побережий
3.1. Общая модель косейсмических деформаций побережий
3.2. Исторические примеры косейсмических деформаций на побережьях
3.3. Геолого-геоморфологические признаки косейсмических деформаций, методы их идентификации, датирования, определения амплитуд
3.3.1. Выраженность косейсмических деформаций в рельефе
3.3.2. Выраженность косейсмических деформаций в геологическом строении побережий
3.3.3. Методы и подходы при поиске местоположения погребенных уступов размыва
3.3.4. Датирование косейсмических деформаций
3.3.5. Определение амплитуды остаточного косейсмического опускания
Выводы
Глава 4 Реконструкция параметров очагов землетрясений вдоль восточной камчатки и северных курил по отложениям палеоцунами
4.1. Общие принципы реконструкции параметров палеоцунами и очаговых зон цунамигенных землетрясений
4.2. Отложения палеоцунами вдоль восточной Камчатки и северных Курильских островов
4.2.1. Беринговоморское побережье Камчатки и о. Карагинский
4.2.2. Отложения палеоцунами на побережье Камчатского залива
4.2.3. Отложения палеоцунами на побережье Кроноцкого залива
4.2.4. Отложения палеоцунами на побережье
4.2.5. Отложения палеоцунами на побережье южной Камчатки и северных Курильских островов
4.3. Определение магнитуд цунамигенных землетрясений по имеющимся палеосейсмологическим данным
Выводы
Разработка базы данных по палеоцунами и ее использование для оценки цунамиопасности побережий
5.1 Географическая и фактическая основы для БД по палеоцунами в ГИС
5.2. Принципы анализа данных с использованием БД по палеоцунами
Список литературы
- Эрозия побережий с валунно-глыбовыми пляжами, примыкающими к склонам коренного берега
- Методика реконструкции древних береговых линий в условиях быстрой проградации побережья (на примере побережья Камчатского залива)
- Геолого-геоморфологические признаки косейсмических деформаций, методы их идентификации, датирования, определения амплитуд
- Принципы анализа данных с использованием БД по палеоцунами
Эрозия побережий с валунно-глыбовыми пляжами, примыкающими к склонам коренного берега
Передний фронт волны при набегании на сушу осложнен турбулентными потоками, поэтому направление и высота цунами может изменяться довольно существенно даже в масштабе сотен метров. Это подтверждается данными обследования последствий цунами. Так, например, на о. Ниас автором были сделаны измерения высоты цунами 26.12.2004 в джунглях (Гусяков и др., 2005). Высота водяного столба определялась по сломанным ветвям на деревьях и траве, застрявшей в ветвях. Оказалось, что в пределах десятков-сотен метров максимальная высота водяного столба варьировала от 3 до 5 м. В связи с этим, эффекты цунами на берегу могут быть различны даже в двух соседних бухтах или заливах. Ширина зоны затопления цунами зависит от топографии и характера рельефа, высоты цунами, и от длины волны.
Благодаря большой длине волн, цунами способны затапливать побережье на расстояние нескольких километров вглубь суши (известны случаи затопления на 10 км), а скорость продвижения цунами на берегу может достигать 60 км/час.
Детальное изучение и документация эффектов воздействии цунами на побережье – очень важная задача, которая позволяет глубже изучить природу этого явления, оценить параметры цунамигенерирующих очагов, выработать необходимые рекомендации для оценки цунами риска и для цунамирайонирования, уточнить схемы эвакуации населения, определить локальное влияние морфологии побережья на эффекты цунами, и многое другое.
Разрушенный цунами 26.12.2004 город Банда-Ачех (север о. Суматра). Фотография сделана на расстоянии 3 км от берега – в самом начале зоны отложения перемещенного с берега материала и фрагментов построек. Фото автора.
Еще один очень распространенный эффект цунами на берегу – эрозия почв и абразия склонов и террас (Кравчуновская, Пинегина, 2008; Bourgeois, Reinhart, 1989; MacInness et al., 2009a) . Эти эффекты, как правило, сопровождают сильные цунами с высотой 5 м с высокой скоростью потока. В таких случаях цунами сдирает с земной поверхности почвенно-растительный слой, размывает береговые валы, речные бары, уступы террас, вымывает ниши вдоль склонов сложенных осадочными слабо консолидированными породами (Рис. 1.7). Рис. 1.7. Эрозионное воздействие цунами 26.12.2004 на северо-западное побережье Суматры (фото автора).
Изучение последствий целого ряда исторических цунами в различных регионах мира показало, что цунами не формируют новых макроформ рельефа на побережьях (например, новых береговых валов), но локально могут очень сильно размыть имеющиеся формы (Пинегина, Кравчуновская, 2010). Ширина зоны, подверженной эрозионному воздействию, в первую очередь зависит от интенсивности цунами и от скорости потока. Так, например, в провинции Ачех, на севере о. Суматра, ширина «эрозионной» зоны воздействия цунами 26.12.04 составила 2-3 км, а далее, на расстояние 5-10 км, находилась зона аккумуляции цунамигенного материала. В связи с этим, после значительных ( 5 м) цунами на берегу практически всегда остаются характерные эрозионные формы рельефа (борозды, каналы, фестоны, выемки) и аккумулятивные отложения (MacInnes et al., 2009 a, b).
Волны цунами воздействуют на берег как прямым, так и обратным потоком, причем, в зависимости от геоморфологии побережья, обратный поток может воздействовать не менее интенсивно, чем прямой. Прямой поток цунами можно разделить на 3 зоны - ускоряющегося, квазистабильного и замедляющегося потока (Jaffe, Gelfenbaum, 2007), (рис. 1.8). Рис. 1.8. Положение зон эрозии и аккумуляции материала при прямом потоке цунами (идеализированная схема по Jaffe, Gelfenbaum, 2007). Соответственно, ближе к урезу, в зоне ускоряющегося потока, происходит размыв, а дальше от уреза – в зоне квазистабильного и замедляющегося потока – аккумуляция (рис 1.8).
Так как цунами, как правило, подходит к побережью в виде серии волн, разделение побережья на зоны эрозии и аккумуляции в некоторой степени условно, поскольку, например, зона эрозии первой волны может быть зоной аккумуляции последующих волн и наоборот. Поэтому, в каждом конкретном случае можно говорить лишь о преобладании цунамигенного размыва или аккумуляции на том или ином участке берега (Кравчуновская и др., 2008, Пинегина и др., 2008).
Эрозионный и аккумулятивный эффекты обратного потока во многом зависят от рельефа берега, в первую очередь от величины и направления его уклона. Обратный поток тяготеет к наиболее низким участкам побережья и часто создает в них эрозионные промоины (рис. 1.9).
Методика реконструкции древних береговых линий в условиях быстрой проградации побережья (на примере побережья Камчатского залива)
Единственный подход при попытке разделить сближенные во времени события – поиск их отложений в условиях быстрой седиментации. Например, скорость торфообразования в некоторых низинных болотах развитых на лагунных отложениях, составляет до нескольких сантиметров в год. Т.е. если сближенные по возрасту события произошли с интервалом хотя бы в несколько лет, есть надежда разделить их при изучении торфяников.
В холодных странах, где зимой существует снежный покров, иногда можно разделить очень сближенные события, так как снег и лед предохраняют земную поверхность от эрозионного воздействия волн второго цунами. При этом, тонкая фракция у кровли горизонта первого цунами может быть не смыта последующим цунами. Так, например, в нескольких случаях удалось различить отложения Курильских цунами 2006 и 2007 гг. Такая возможность представилась благодаря тому, что январское цунами 2007 г. обрушилось на поверхность мерзлого грунта, перекрытую снегом. Снег, где он не был уничтожен цунами, предохранил отложения ноябрьского цунами 2006 г. от размыва. Когда снег растаял, отложения двух цунами представляли собой пачку из разных по гранулометрическому составу слоев, разделенных травой и плавучим мусором. Схематично этот процесс показан на рисунке 1.25. Обследованием было доказано, что ноябрьское цунами было в два-три раза
Принципиальная схема идентификации отложений цунами 15.11. 2006 и 13.01.2007 гг. на Центральных Курилах (Пинегина и др., 2008). интенсивнее, чем январское. В целом же, события–аналоги сдвоенных цунами в Индонезии и на
Курильских островах с геологической точки зрения относятся к одному сейсмическому циклу, представляя собой главное событие и их сильнейшие афтершоки (Федотов, 2002, 2005; Лаверов и др, 2006 б; Лобковский и др., 2008). Поэтому, исследуя эти события геологическими методами, главное - оценить общий, суммарный эффект в результате отдельного сейсмического цикла.
Цунами представляют важный геоморфологический агент формирования рельефа побережий. Изучение геолого-геоморфологических эффектов на берегах от недавних цунами заслуживают внимания по нескольким причинам. Во-первых, это позволяет получить информацию о физических параметрах набегающих на берег волн. Во-вторых, знание современных цунамигенных форм рельефа и отложений позволяют идентифицировать древние события и оценивать их параметры, повторяемость, цунамиопасность побережья.
На примере ряда недавно произошедших цунами автором показано, что отложения цунами выклиниваются примерно на линии максимального заплеска цунами. Это что дает ключ к реконструкциям заплесков древних цунами, распределения их высот вдоль ближайшего к источнику побережья, оценок магнитуды и размеров очагов.
При изучении последствий недавних цунами, возникли следующие геолого-геоморфологические вопросы нуждающиеся в решении: 1) как рельеф побережья влияет на характер проявления цунами на берегу; 2) каково объемное соотношение эродируемого и аккумулируемого цунами материала; 3) каковы соотношения в плане зон эрозии и аккумуляции и каким образом геоморфологические эффекты цунами соотносятся в пространстве с линией заплеска; 4) какие геоморфологические «следы» на побережьях могут быть индикаторами воздействий цунами разной интенсивности?
Изучение последствий целого ряда исторических цунами в различных регионах мира показало, что цунами не образуют новых форм рельефа на побережьях (например, в виде новых береговых валов), но локально могут очень сильно размыть имеющиеся формы. В ходе исследований цунами 2006-2007 гг. на Курильских островах была выявлена устойчивая корреляция между вертикальным заплеском цунами и масштабом цунамигенного размыва.
Отложения цунами отличаются от флювиальных, эоловых и штормовых отложений по целому ряду признаков, однако для их уверенной идентификации необходимо проводить анализ их распределения по высоте и в плане.
В случае прохождения двух близких по возрасту событий цунами, велика вероятность того, что их отложения будут залегать в виде единого слоя. Эта особенность может дать «пропуск события» при исследованиях отложений доисторических цунами (палеоцунами).
Геолого-геоморфологические признаки косейсмических деформаций, методы их идентификации, датирования, определения амплитуд
Это вызвано тем, что ближе к берегу поток обладает наибольшей энергией и скоростью. И чем круче рельеф берега, тем сильнее на него эрозионное воздействие. Поэтому первый, наиболее близкий к морю крутой береговой вал оказывается иногда «пропилен» цунами, либо разбит на серию фрагментов.
Данные, собранные автором показали, что подобные формы рельефа способны сохраниться на аккумулятивном побережье длительное время и свидетельствовать о прошлых катастрофических цунами (рис. 2.19). Таким образом, выделив на аэрофотоснимке береговой вал, осложненный эрозионными формами рельефа, можно сказать, что на момент сильного цунами именно он маркировал границу между активным пляжем и реликтовыми валами. Tsunami scours могут сохраниться лишь в тех местах, где морские отложения уже были покрыты густой растительностью с мощной дерниной.
В зоне активного пляжа, где отсутствуют почва и растительность, штормовые и эоловые процессы, а также гравитационное обрушение стенок промоин, быстро уничтожат следы эрозии цунами.
Как уже отмечалось в главе 1, отложения цунами откладываются дальше от уреза воды, в зоне квазистабильного либо замедляющегося потока. Между урезом и зоной отложения цунами находится зона преимущественной эрозии. Восстановив по отложениям цунами и по положению подвергшегося эрозии берегового вала ширину зоны эрозии, можно судить об интенсивности и энергии палеоцунами. Определив возраст деформированного эрозией вала, можно судить о времени, когда цунами произошло. Анализ азимутов простирания эрозионных промоин может помочь в определении направления подхода цунами (см. рис. 2.19, верхнее фото).
Эрозионные формы рельефа (фестоны и борозды), образованные воздействием цунами (tsunami scaurs). На верхнем снимке – фрагмент спектрозонального снимка SPOT на побережье Камчатского залива ( 20 км к югу от Усть-Камчатска). На нижнем снимке – фрагмент снимка QuickBird (ресурс Googl Earth) на побережье Авачинского залива (Халактырский пляж). На момент цунами береговые валы, осложненные эрозионными цунамигенными формами рельефа, находились на границе активного пляжа и реликтовой части морской террасы. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2
1. К основным отличительным особенностям отложений цунами относятся: 1) приуроченность к полосе побережья вне зоны штормовой досягаемости и к различным гипсометрическим уровням, примерно до 30-40 м над уровнем моря; 2) присутствие в отложениях морского песка и окатанной гальки; 3) незначительная мощность отложений (от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров); 4) продолжительные периоды между последовательными отложениями (десятки – первые сотни лет);
2. Надежно идентифицировать можно лишь геологические следы от наиболее сильных палеоцунами, с высотами 5м;
3. Изучать отложения цунами необходимо в разрезах с хорошо развитой почвой или торфом, вмещающие отложения не должны содержать штормовые, эоловые или иные прослои сложенные морским песком; при поисках отложений цунами необходимо выбирать участки с наибольшей скоростью седиментации рыхлых вмещающих отложений;
4. На Дальнем Востоке, в частности на Камчатке и Курильских островах, наиболее оптимальным методом для корреляции и датирования отложений цунами является метод тефрохронологии.
5. В условиях быстро (иногда резко) воздымающихся или опускающихся побережий, что характерно для районов расположенных вдоль зон субдукции и коллизии, при реконструкции параметров палеоцунами необходимо восстанавливать положение древней береговой линии и высоту рельефа земной поверхности на момент события. Положение древних береговых линий для аккумулятивных морских террас восстанавливается при изучении характера выклинивания слагающих террасу горизонтов. 5. Для участков побережья с широкими аккумулятивными морскими террасами, быстро выдвигающимися в сторону моря (проградирующими), наиболее важно восстановить положение древних береговых линий в плане, т.к. их положение могло отличаться от положения современного уреза на километры. Для участков быстро воздымающихся побережий наиболее важно оценить скорость поднятий, т.к. высота, на которой были отложены цунамигенные горизонты, могла отличаться от уровня современной поверхности на многие метры.
6. В разрезах морских террас испытывающих значительные вертикальные движения либо быструю проградацию, в разных частях профиля могут присутствовать отложения цунами разной интенсивности.
7. Реликтовые береговые валы, осложненные эрозионными формами рельефа, на момент палеоцунами маркировали верхнюю границу активного пляжа. Таким образом, при реконструкции древних береговых линий на аккумулятивных морских побережьях, можно использовать не только отложения цунами, но и эрозионные формы рельефа цунамигенного происхождения
Рассмотрены косейсмические деформации побережий, происходящие в результате сильнейших (M 8.5-9) цунамигенных землетрясений в зоне субдукции. В отдельных разделах изложены общая модель, объясняющая наличие пликативных (не разрывных) деформаций, исторические примеры подобных деформаций, в т.ч. и по материалам, собранным лично автором. Рассмотрены геолого-геоморфологические признаки косейсмических опусканий, подробно изложены методики и подходы, разработанные автором для определения времени сейсмического события, вызвавшего косеймическую деформацию, и для оценки ее амплитуды.
3.1. Общая модель косейсмических деформаций побережий Согласно геодезическим, а в последнее время и GPS данным, сильные межплитные землетрясения вызывают вертикальные косейсмические деформации на побережьях, расположенных даже в нескольких сотнях километров от глубоководных желобов (рис. 3.1). Наблюдения, проведённые после некоторых крупнейших исторических землетрясений (например, Чилийского 1960, Mw=9.5; Аляскинского 1964, Mw=9.2; Индонезийских 2004, Мw=9.5 и 2005, Мw=8.6; Японского Тохоку 2011, Mw=9.1 и др.), показали, что земная поверхность, над ближайшей к желобу частью очага (на взброшенном крыле), во время субдукционного землетрясения испытывает поднятие. В то же время область, расположенная ближе к вулканической дуге, над более глубокой частью очага, опускается. Амплитуды зарегистрированных косейсмических поднятий на побережьях достигали 4-6 м, амплитуды же опусканий не превышали 1-2 м (McCalpin, 2009).
Принципы анализа данных с использованием БД по палеоцунами
Например, если цунами высотой 20 м обрушилось на берег с абсолютными отметками 5-6 м над уровнем моря, то отложения цунами и будут найдены на этой высоте. Если низменный участок берега уходит вглубь суши на несколько км, то цунами разной интенсивности будут различаться по ширине зоны заплеска. Если же такой участок берега узок и окружен крутыми склонами (на которых отложения цунами не сохраняются), то различить интенсивность событий цунами по отложениям будет невозможно. Вместе с тем, сильные цунами связаны с землетрясениями с М7.5, имеющими протяженные (свыше 100 км) очаги. Поэтому одно и тоже цунами одновременно охватывает большую по протяженности зону побережья. Ширина ближней зоны, где цунами имеют максимальные вертикальные заплески, примерно сопоставима с длиной очага или несколько превышает ее (Geist, Dmowska, 1999). Поэтому, если рассматривать большой по протяженности участок побережья, можно собрать данные по проявлениям цунами на разных типах берегов и получить весь набор необходимых данных, как по высоте, так и по дальности заплеска цунами. Итак, принцип №1 при реконструкции параметров палеоцунами можно сформулировать как «принцип протяженности участка обследования».
Как уже ранее указывалось в Главе 1, цунами могут иметь как аккумулятивный, так и эрозионный эффект. Поэтому нельзя ожидать, что в одном или нескольких шурфах можно выявить все цунамигенные горизонты и на этой основе рассчитать повторяемость всех событий. Кроме того, если шурфы заложены не в торфяниках (для которых характерна высокая скорость роста торфа), а в почвах (со скоростью роста первые миллиметры - первые сантиметры за сто лет), то различить сближенные по времени отложения цунами зачастую невозможно и количество произошедших цунами может оказаться заниженным. Кроме того, необходимо учитывать также, что какая-либо точка на побережье, где заложен шурф, в разные моменты времени могла находиться ближе или дальше от уреза воды (подробно методика восстановления положений древних береговых линий изложена в Главе 2). Следовательно, в каждом шурфе есть часть геологического разреза, включающая следы всех, в том числе и слабых цунами, и часть разреза со следами лишь катастрофических событий. Даже два близкорасположенных друг от друга шурфа могут отличаться по количеству цунамигенных горизонтов и сохранившихся прослоев тефры. Опыт многолетних исследований показал, что для получения надежных данных о проявлениях конкретного палеоцунами необходимо строить сводный разрез на основе описаний, по крайней мере, нескольких десятков шурфов. В этом случае статистически менее вероятным становится пропуск события в каком-то определенном интервале, ограниченном горизонтами тефры. В случае, когда в одном отдельном шурфе количество горизонтов цунами оказывается больше, чем в остальных, необходимо анализировать местоположение шурфа на аэрофотоснимках, чтобы решить, не связаны ли эти горизонты с какими-либо другими процессами (эоловыми, аллювиальными). Принцип №2 может быть сформулирован как «принцип множественности разрезов».
Важный вопрос – точность корреляции и датировка палеосейсмических событий. Исходя из того, что ошибка в возрастах отложений, определенных по радиоуглеродному методу, может достигать от нескольких десятков до нескольких сотен лет, автор не использовал данных прямого радиоуглеродного датирования отложений цунами (хотя в ряде случаев, такие данные были получены). Наиболее приемлемым для условий Камчатки является использование метода тефрохронологии (Брайцева и др., 1985). Он позволяет точно коррелировать геологические разрезы от шурфа к шурфу и примерно датировать возраст отложений цунами в пределах временных промежутков ограниченных пеплами. Т.е. даже в том случае, если будут получены новые данные и возраст тефры будет уточнен, корреляция отложений цунами и количество цунами в определенный промежуток при этом не изменяется.
Недавние цунами (26.12.04 и 28.03.05 в Индонезии, 15.11.06 и 13.01.07 на Центральных Курилах) еще раз показали, что сильные события могут быть сближены во времени. Различить их геологическими методами не представляется возможным. Поэтому, проводя корреляцию отложений цунами, всегда есть доля вероятности, что за одно «большое» событие принято несколько «меньших». При этом каждое событие по отдельности могло иметь меньшую протяженность очага, чем протяженность, восстановленная по отложениям цунами, их очаги могли располагаться один сразу на продолжении другого, либо параллельно друг другу, но на разном удалении от побережья. Однако, в целом, такие ошибки в интерпретации геологических следов цунами не должны сильно влиять на оценку периода повторяемости и параметров цунами в каждом отдельно взятом районе.
Итак, идентифицируя отложения цунами в геологических разрезах и «зажимая» их между известными датированными пепловыми горизонтами, можно рассчитать среднюю повторяемость цунами разной интенсивности в разные промежутки времени. Однако, при этом нельзя судить о точном времени возникновения того или иного цунами внутри промежутка. В связи с этим на всех схемах, приведенных в главе, цунами внутри временных промежутков расположены примерно с одинаковым временным шагом. Кроме того, набор вероятных очаговых зон показан не в реальной временной последовательности, а по принципу – от большего очага к меньшему (либо наоборот) – за исключением очаговых зон исторических землетрясений, а также землетрясений, сопровождавшихся косейсмическими деформациями (см. Главу 3). Поясним это на примере. Допустим, в некотором временном интервале было идентифицировано 4 цунамигенных горизонта в двух районах, а в третьем районе – только 2. В первых двух районах произошло на два цунами больше, однако мы не знаем когда – раньше двух событий, которые есть во всех районах, или позже, или в промежутке между ними. Можно лишь предполагать, что два цунами были вызваны общими для всех трех районов источниками.
