Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В работе рассматривается вопрос о связи деформации в очаге основного толчка с длительностью будущей афтершоковой серии и наличием афтершока, сопоставимого по силе с основным толчком. Выявление такой связи представляется важной задачей с точки зрения прогнозирования афтершоковой активности, поскольку позволяет оценить длительность будущей афтершоковой серии по информации, полученной в течение первых 5 минут после сильного землетрясения, а также оценить возможность возникновения афтершока, сопоставимого по силе с основным толчком.

Исследование основано на гипотезе о том, что в случае сложного очага основного толчка накопленные напряжения сбрасываются не полностью, следовательно, восстановление поля частично сброшенных напряжений совместно с действием оставшихся напряжений приводит к возникновению афтершока, сопоставимого по силе с основным толчком. Такое событие фактически начинает новую афтершоковую серию. Отметим, что связь геометрии разрывной зоны с длительностью будущей афтершоковой серии была установлена в работах [7, 14]. В частности, было показано, что длительные афтершоковые серии возникают в гладких разломных зонах, короткие же серии афтершоков возникают в разрывных зонах со сложной геометрией на молодых разломах.

Сложный очаг возникает, если вспарывание происходит одновременно по нескольким направлениям, т.е. имеет место сложная геометрия разрывной зоны. Такой очаг характеризуется недвухдипольным источником. Отметим, в областях активного вулканизма или активной флюоризации (например, шельф Баренцева моря) недвухдипольность источника определяется воздействием флюидов на процесс образования трещины [13] (эффект Рибиндера). Также флюидизация оказывает существенное влияние и на поле локальных напряжений, в значительной степени изменяя характеристики афтершокового процесса [5].

В настоящем исследовании деформации в очаге основного толчка характеризовались механизмом очага (сдвиг, взброс, сброс, взрез) и типом источника (двойной диполь или недвухдипольный источник). Механизмы очага и тензоры моментов были взяты из глобального каталога CMT.

Подход, используемый в исследовании, соответствует наметившейся в последние четыре года перспективной тенденции исследований, которая заключается в поиске взаимосвязей свойств очага основного толчка и свойств афтершоковой последовательности.

Материалы и методы исследования

Деформации в очаге землетрясения характеризовались механизмом очага (сдвиг, взброс, сброс, взрез) и типом источника (двойной диполь или недвухдипольный источник). Определение типа источника выполнялось с помощью анализа тензора сейсмического момента Mij, который является симметричным и имеет 6 независимых компонент, характеризующих деформацию в очаге.

Тип источника очага землетрясения можно определить с помощью коэффициента Лоде – Надаи, введенного в сейсмологическую практику С.Л. Юнгой [8]:

LN = 3V2/(V1 – V3), (0 ≤ LN ≤ 1), (1)

где V1 ≥ V2 ≥ V3 – собственные числа тензора Mij. При LN = 0 имеет место простой сдвиг и источник является двухдипольным; если LN = 1 (–1) – одноосное растяжение (сжатие) и источник недвухдипольный.

В каталоге CMT тензор сейсмического момента задается 5-ю независимыми компонентами [11]:

Mij = [Mrr, Mθθ, Mrφ, Mrθ, Mθφ],

где r – ось, направленная вертикально вверх; θ – направление на юг; φ – направление на восток. Шестая компонента Mφφ получается из условия нулевого следа:

Mrr + Mθθ + Mφφ = 0.

В каталоге CMT также приводятся стандартные ошибки определения компонент тензора (δMij), которые могут существенно изменить значения коэффициента Лоде – Надаи [15]. Кроме того, в случае мелкофокусного землетрясения (глубина гипоцентра не превышает 40 км), возникают неустранимые ошибки в определении коэффициентов тензора [10]. Таким образом, для корректного определения типа источника необходимо учитывать ошибки определения компонент тензора сейсмического момента.

Учет ошибок осуществлялся аналогично работе С.Л. Юнги [15] следующим образом. Для пяти из шести компонент тензора с помощью обратной функции нормального распределения строились 95 %-ные доверительные интервалы, при этом за математическое ожидание принималось значение компоненты тензора (Mij), за стандартное отклонение – стандартная ошибка этой компоненты (δMij). Перебирая с мелким шагом все возможные значения из доверительных интервалов для пяти компонент тензора, вычислялась оставшаяся независимая компонента (Mφφ) из условия нулевого следа.

На следующем этапе вычислялись возмущенные значения коэффициента Лоде – Надаи (1). Если минимальное и максимальное возмущённые значения получались разных знаков или знаки одинаковые, но среднее значение по модулю меньше 0,2, то источник относился к двухпольному типу. Если же знаки оказывались одинаковыми и среднее значение больше 0,2, то коэффициент Лоде – Надаи значимо отличается от нуля, и источник относился к недвухдипольному типу.

Такой подход учитывает ошибки определения компонент тензора сейсмического момента и позволяет выделять источники, которые действительно относятся к недвухдипольному типу.

Исходные данные

В качестве исходных данных для проверки гипотезы исследования были использованы ранее изученные афтершоковые серии 21 сильного землетрясения (табл. 1) из районов с различными типами сейсмогенеза: Камчатка и Курильские острова [4], Алтае-Саянская складчатая область [1], Северный Кавказ [2], шельф Баренцева моря [Баранов, 2013] (табл. 1). Компоненты тензоров сейсмического момента и стандартные ошибки их определения для основных толчков были взяты из глобального каталога CMT [12].

Таблица 1

Характеристики основных толчков и соответствующих афтершоковых серий, использованных в исследовании (φ°, λ° – широта и долгота эпицентра основного толчка в градусах; Mm – магнитуда основного толчка, Mw)

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 2 приведены значения коэффициентов Лоде – Надаи, типы источников и механизмы очагов для афтершоковых серий из табл. 1. Можно констатировать, что афтершок, сопоставимый по силе с основным толчком, наблюдается у серий с недвухдипольными источниками основных толчков за исключением трех серий, инициированных Бусингольским землетрясением (№ 11, табл. 2), Командорским-2 землетрясением (№ 9, табл. 2) и землетрясением в проливе Стур-фиорд (№ 21, табл. 2). Рассмотрим тензоры этих землетрясений подробнее.

У Бусингольского землетрясения и землетрясения к северо-западу от острова Беринга величины стандартных ошибок компонент Mrq тензоров сейсмического момента близки к значению самой компоненты: для Бусингольского землетрясения Mrq = –0,33, EMrq = 0,25; для землетрясения на северо-западе от острова Беринга Mrq = –0,02, EMrq = 0,02. Таким образом, в данном случае значения компонент Mrq неизвестны, и мы не имеем полной информации о тензорах сейсмического момента этих землетрясений.

Другим событием с недвухдипольным источником, в афтершоковой серии которого отсутствует афтершок, сопоставимый по силе с основным толчком, является землетрясение, произошедшее 2008/02/21 в проливе Стур-фиорд, район архипелага Шпицберген. Предыдущие исследования [1] показали, что поле напряжений в очаговой области этого события подвержено значительному влиянию флюидов, которые уменьшают трение между блоками среды, что, в свою очередь, приводит к уменьшению магнитуд афтершоков.

Таблица 2

Типы источников и механизмы очагов (у недвухдипольных источников в типе механизма указано нд) для афтершоковых серий из табл. 1 (d (сутки) – длительность афтершоковой серии; Mm – магнитуда основного толчка (Mw); Ma – магнитуда сильнейшего афтершока; LN0, LN1 – минимальное и максимальное возможные и средние значения коэффициента Лоде – Надаи (2), рассчитанные с учетом ошибок определения компонент тензора сейсмического момента)

Закономерность в возникновении афтершока, сопоставимого по силе с основным толчком, хорошо иллюстрируется на примере афтершоковых серий Рачинских землетрясений (№ 14, 15; табл. 1, 2; рис. 1). Первое Рачинское землетрясение имело недвухдипольный источник (LN = –0,35), что свидетельствует о сложном характере разрывной зоны. Аналогичный вывод был сделан в работе [6] по данным локальной сейсмической томографии и работе [2] по данным об афтершоковом процессе. Через 46 суток после основного толчка афтершоки первого Рачинского землетрясения практически прекратились, а 1991/06/15 в 00:59:19.0 произошло второе Рачинское землетрясение с M = 6,2, инициировавшее собственную серию афтершоков.

Рис. 1. Афтершоковые серии Рачинских землетрясений

Аналогичная картина наблюдается у афтершоковых серий Тувинских землетрясений (№ 13, 14, табл. 1, 2; рис. 2) – основной толчок имел недвухдипольный источник. Через 60 суток после основного толчка афтершоки первого Тувинского землетрясения практически прекратились, и 2012/02/26 в 06:17:16.0 произошел повторный сильный толчок (второе Тувинское землетрясение) с M = 6,4, также имеющий недвухдипольный источник. Через 101 день после второго Тувинского землетрясения 2012/06/06 произошел еще один сильный толчок с M = 5,7.

Также наблюдается зависимость длительности афтершоковой серии (табл. 2) от механизма очага и типа источника. Основные толчки с механизмами взбросового типа инициируют более продолжительные афтершоковые серии в сравнении с основными толчками сдвигового и сбросового типов и с толчками, имеющими недвухдипольные источники, за исключением землетрясения 2008/02/21 в проливе Стур-фиорд. Причины исключения такие же, как и в предыдущем случае – значительное воздействие флюидов на поле напряжений в очаговой области.

Заключение

В рамках исследования проведена проверка гипотезы о связи тензора сейсмического момента основного толчка с длительностью будущего афтершокового процесса и наличием афтершока, сопоставимого по силе с основным толчком. Тензор сейсмического момента характеризовался типом деформации в очаге (сдвиг, взброс, сброс, взрез) и типом источника (двойной диполь или недвухдипольный источник). Чтобы исключить необоснованное отнесение источника к недвухдипольному типу, специальным образом учитывались ошибки определения компонент тензора сейсмического.

В результате исследования была установлена связь между наличием афтершока, сопоставимого по силе с основным толчком, типом источника и типом механизма очага. Установлено, что афтершок, сопоставимый по силе с основным толчком, наблюдается у взбросовых механизмов, а также у механизмов с недвухдипольным источником. При этом у недвухдипольных основных толчков начальная афтершоковая серия, как правило, заканчивается перед сильнейшим афтершоком, который начинает вторую серию (Рачинское землетрясение 1991/04/29, Первое Тувинское 2011/12/27, землетрясение 1999/11/26 в Камчатском проливе в районе острова Беринга).

Рис. 2. Афтершоковые серии Тувинских землетрясений

Также наблюдается зависимость длительности афтершоковой серии от механизма очага и типа источника. Основными толчками с механизмами взбросового типа инициируют более продолжительные афтершоковые серии в сравнении с основными толчками сдвигового и сбросового типов и с толчками, имеющими недвухдипольные источники, при условии нарушения флюидо-динамического равновесия в зоне разрыва.

Полученные результаты имеют важное практическое значение для прогнозирования сейсмической активности, поскольку позволяют примерно через 5 минут после сильного землетрясения, как только получен тензор сейсмического момента, сделать вывод о длительности будущей серии афтершоков и будущем наличии афтершока, сопоставимого по силе с основным толчком. Вместе с тем выявленная при анализе 21 землетрясения закономерность требует дальнейшей проверки по большему количеству данных.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 13-05-00158).

Рецензенты:

Олейник А.Г., д.т.н., заместитель директора по научной работе, ФГБУН «Институт информатики и математического моделирования технологических процессов», Кольский научный центр Российской академии наук, г. Апатиты;

Скуфьин П.К., д.г.-м.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Геологический институт» Кольский научный центр Российской академии наук, г. Апатиты.