вариации поля напряжений тянь-шаня по данным о механизмах

ВАРИАЦИИ ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ ТЯНЬ-ШАНЯ ПО ДАННЫМ О МЕХАНИЗМАХ
ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Кальметьева З.А., Ильясов Б.И., Чеховская Р.А.
Опытно-Методическая Сейсмологическая Экспедиция Национальной Академии наук Кыргызской
Республики, Кыргызстан
Аннотация. Были рассмотрены механизмы очагов землетрясений (МОЗ) в широком диапазоне
энергий и за длительный промежуток времени. Было выявлена зависимость решений МОЗ от
энергетического уровня землетрясений, а также периодические изменения угла наклона оси сжатия.
Полученные значения периодов колебаний наклона к горизонту оси сжатия совпадают с теми
значениями, которые были выявлены ранее при пространственно-временном анализе сейсмичности.
Такое совпадение периодов говорит в пользу того, что цикличность сейсмической деятельности
определяется периодическими колебаниями поля напряжений. Причем эти колебания, по-видимому,
имеют планетарную природу, так как такого же порядка периоды сейсмической активизации отмечаются
в самых разных регионах мира и вообще присущи многим природным явлениям.
Новым оказалось то, что землетрясения, происходящие в разные фазы периодических изменений
поля напряжений, имеют свои характерные признаки. Эти результаты необходимо учитывать как при
постановке задач активного мониторинга, так и задач прогнозных исследований.
Введение.
Для характеристики поля напряжений были использованы данные об ориентации в
пространстве осей сжатия и растяжения из решений МОЗ. Известно, что поле
напряжений Тянь-Шаня характеризуется субмеридианальным близгоризонтальным
сжатием [1-7].
Следовательно, в очагах землетрясений Тянь-Шаня в зависимости от
направленности сил растяжения следует ожидать либо сдвиги (при горизонтальном
растяжении) либо надвиги (при вертикальном растяжении). Ежегодные обзоры данных
о МОЗ Средней Азии в диапазоне энергетических классов К>9.5 [8] показали, что для
землетрясений с К13 чаще всего (больше 50%) ось сжатия имеет близгоризонтальное
положение при близвертикальном положении оси растяжения, т.е. в очагах таких
событий происходят надвиговые подвижки. В очагах же слабых землетрясений (более
50% ), с К = 9-10, наоборот, ось сжатия отклонена от горизонта на 30-50 градусов.
Процентное соотношение типов подвижек не остается постоянным всегда – каждый год
оно немного другое. Эти результаты побудили провести временной анализ параметров
осей сжатия и растяжения, используя данные в широком диапазоне энергий и за
длительный промежуток времени. При этом временные изменения поля напряжений
сопоставлялись с особенностями проявления сильных землетрясений.
Использованный материал. Выбор энергетического диапазона рассмотренных
событий определился наличием представительного материала. Очевидно, что за период
1
времени до начала инструментальных наблюдений каталоги землетрясений содержат
сведения только о сильнейших событиях. По мере увеличения плотности пунктов
наблюдений понижается энергетический уровень представительности данных. Это
видно из приведенной таблицы 1. Данные о МОЗ становятся представительными с 1970
года для событий с К9. С середины 90-х годов из-за остановки работы сейсмических
станций Таджикистана и прекращения обмена данными с Китаем для южных районов
Тянь-Шаня, в особенности района Кок-Шаала, каталоги МОЗ перестают быть
представительными.
Таблица 1.
К
М
Начало периода представительности регистрации
16
14-15
13
12
10
8-9
6.5
5.5-6.1
5.0
4.5
3.3
2.2-2.8
С 1770 (отдельные события с 500 года);
С 1865;
С 1911
С 1929
С 1955
С 1980
Закономерности пространственного размещения землетрясений Тянь-Шаня.
Построение карт эпицентров землетрясений для разных энергетических уровней по
представительным выборкам показало следующее. Эпицентры сильных землетрясений
тяготеют к протяженным линейным структурам. При этом сильнейшие из них, с М>7
(Верненское,
1887;
Чиликское,
1889;
Кебинское,
1911;
Чаткальское,
1946;
Суусамырское, 1992) расположились вдоль линии, которая по существу является
северной границей так называемого Тянь-Шанского блока. Такой же силы
землетрясения известны и вдоль южной границы Тянь-Шаня (Кашгарское, 1902;
Хаитское, 1949; Улугчатское, 1955; Маркансуйское, 1974). Вдоль западной и восточной
окраин Тянь-Шаня магнитуды сильнейших событий не превышают 6.5. События 15-го
и 14-го энергетического класса (М=5.4-6.4) располагаются в пределах этих же узких
полос. Изменения начинаются с 13-го энергетического класса. Такие землетрясения
происходят повсеместно. Карты эпицентров, построенные отдельно для каждого
энергетического класса,
(от восьмого до тринадцатого) - имеют по существу
одинаковый вид, отличаясь лишь количеством эпицентров – чем ниже энергетический
класс событий, тем
больше их количество. Таким образом, землетрясения
13-го
энергетического класса являются как бы промежуточными. С одной стороны – это уже
2
сильные землетрясения, с другой – они, так же как и слабые, но в отличие от сильных
происходят как на границе Тянь-Шанского блока, так и внутри него.
Азимут оси сжатия. Как уже упоминалось ранее, оси сжатия в очагах большинства
землетрясений Тянь-Шаня имеют субмеридиональное направление. Следует заметить,
что
субмеридиональное
сжатие
характерно
для
всего
трансконтинентального
сейсмического пояса [9,10]. Анализ каталога МОЗ за 1946-2002 годы показывает, что
наибольшее количество землетрясений попадает в диапазон азимутов 150-180 и 330360, т.е. происходит при север-северо-западном сжатии. Несколько меньшее
количество – в диапазоне 130-150 и 310-330 (северо-западное направление сжатия),
еще меньше землетрясений оказалось в диапазоне 0-30 и 180-210 (север-северовосточное
направление
сжатия).
При
разделении
рассмотренных
событий
по
энергетическому классу можно видеть следующую картину. Все сильнейшие
землетрясения с К17 произошли при субмеридиональном сжатии (отклонение от
меридионального направления не превышало 30). Большая часть
землетрясений с
К=15-16 произошла при север-северо-западном сжатии. Для нескольких Кок-Шаальских
землетрясений решения МОЗ дают субширотное направление сжатия, возможно, это
связано с низкой точностью определения решений МОЗ для них. Более слабые
землетрясения
сжатия
от
с К14 могут происходить и при большем отклонении направления
меридионального.
Пространственного
разделения
землетрясений
с
различными направлениями оси сжатия в решениях МОЗ не наблюдается.
Итак, большая часть землетрясений, независимо от их энергетического класса,
происходит при примерно одинаковом направлении сжатия. Следовательно, для анализа
временного изменения поля напряжений можно рассматривать только угол наклона оси
сжатия.
Угол наклона оси сжатия во времени.
Был составлен временной ряд из всех
имеющихся данных за 30 лет [11]. Периодограммный анализ ряда показал, что в нем
присутствуют колебания с периодами 15, 6, 2-3 лет. Оказалось, что сильные
землетрясения с К= 13-14 происходят в основном в те отрезки времени, когда
нарастают
горизонтальные
сжимающие
приближается к горизонтальному). Когда
напряжения
(положение
оси
сжатия
горизонтальное сжатие ослабевает, (ось
сжатия начинает отклоняться от горизонтального положения) сильные землетрясения
либо вообще не происходят, либо происходят довольно сильные события с М6.5 как
например, упоминаемые ранее сильные землетрясения – Маркансуйское, Алайское и
3
Суусамырское. Такие временные ряды были построены для разных участков
территории Тянь-Шаня и в частности для землетрясений, происходивших вдоль
северной границы Тянь-Шанского блока. В выборку вошли землетрясения, эпицентры
которых попали в полосу шириной 80 км, посередине которой проходит линия,
соединяющая эпицентры сильнейших землетрясений северного Тянь-Шаня. Сравнение
этих двух кривых показывает, что их минимумы и максимумы абсолютно совпадают по
времени, отличаясь при этом амплитудой, т.е. углом отклонения оси сжатия от
горизонта. Так же, как и в предыдущем случае, большинство землетрясений с К13
попадают на спад кривой или на минимумы. Самое сильное, Суусамырское,
землетрясение снова попадает на момент, когда начинается подъем кривой.
Особенности землетрясений, происходящих в разные фазы периодического
изменения наклона оси сжатия. Самая заметная особенность землетрясений,
происходящих при отклонении оси сжатия от горизонта, состоит в том, что они
сопровождаются большим количеством афтершоков и имеют ярко выраженные
прогностические признаки. Для более подробного рассмотрения этого факта была
проведена так называемая паспортизация сильных землетрясений Кыргызстана с К13.
Для каждого из них рассматривалось наличие или отсутствие прогностических
признаков, афтершоковая деятельность и составлена библиография. В таблице 2
приведены значения угла наклона осей сжатия и растяжения для землетрясений,
сопровождаемых и не сопровождаемых афтершоковыми последовательностями. Как
видно из таблицы, одиночные толчки в основном происходят при горизонтальном
сжатии, т.е. в их очагах происходят надвиговые подвижки, в очагах только двух
землетрясений произошли сбросы. Обращает также внимание то, что - это события
средней силы, лишь одно из них представлено землетрясением 15-го энергетического
класса. Землетрясения, сопровождаемые афтершоками, как правило сильные, хотя
среди них встречаются и довольно слабые. Из таблицы также видно, что часть из этих
землетрясений произошла при значительном отклонении оси сжатия от горизонта.
Распределение землетрясений с К13 по типам подвижек подтверждает, что
надвиговых подвижек на Тянь-Шане происходит больше всего. Однако количество
суммарной энергии, выделившейся в их очагах, оказывается примерно такое же, как и
для других типов подвижек. Рассмотрение других характеристик излучения подобных
очагов [12, 13] приводит к допущению, что в их очагах происходят подвижки по
имеющимся дизъюнктивным поверхностям. Наглядным примером такого явления
4
Таблица 2.
Землетрясения с афтершоковыми
Землетрясения без афтершоковых
последовательностями
последовательностей
Дата
Время
К
Plunge P
Plunge T
Дата
Время
К
Plunge P
Plunge T
1970.06.05
04-53-05
16.0
14
72
1974.01.22
06-08-07
12.7
3
86
1971.10.28
13-30-55
14.0
18
44
1974.02.20
11-43-04
13.2
6
84
1977.01.31
14-26-14
15.5
13
64
1977.01.30
10-36-00
12.6
83
2
1977.06.03
01-05-23
14.2
85
00
1977.09.30
19-17-09
12.8
05
24
1978.03.24
21-05-48
15.5
27
47
1979.05.09
18-41-00
13.1
32
0
1978.11.01
19-48-23
16.2
14
11
1980.01.17
22-47-11
12.7
2
62
1990.11.12
12-28-51
15.3
0
80
1988.06.17
13-30-43
12.9
68
0
1990.12.0
18-09-29
12.6
нет
Решения
1988.12.21
08-21-03
12.9
12
13
1992.05.15
08-07-59
15.0
5
75
1990.03.29
16-19-12
13.7
19
18
1992.08.19
02-04-36
17.0
31
59
1992.12.24
05-09-42
13.2
7
63
1993.03.17
10-15-05
12.6
9
77
1995.02.20
08-07-33
12.6
3
65
1996.01.18
09-33-49
13.0
4
78
1997.01.09
13-43-31
14.6
14
72
1977.08.13
14-30-13
13.0
14
62
1998.06.07
00-05-30
12.6
10
54
может служить подвижка по разлому, произошедшая на Северо-Уральском бокситовом
руднике. Проведение очистных работ по одну сторону от разлома приводит к
нарушению равновесия в плоскости разлома, в результате чего происходит подвижка
вдоль него.
Из
землетрясений,
происходящих
при
ослаблении
горизонтального
сжатия,
наибольший интерес представляют те, в очагах которых равновероятны подвижки в
горизонтальной и вертикальной плоскости. К такому типу относится Суусамырское
землетрясение, Сарыкамышское и большое количество слабых землетрясений, о чем
уже говорилось выше. Этот интерес обусловлен также тем, что такие землетрясения
иногда сопровождаются длинноволновыми импульсами, которые могут быть вызваны
асейсмическими подвижками [14, 15].
Заключение. Проведенное исследование показало, что давно замеченная цикличность
в проявлении сейсмичности [16 и др.] определяется периодическими колебаниями поля
5
напряжений. Однако эта закономерность не является особенностью только ТяньШаньского региона. Такая периодичность в проявлении сейсмичности наблюдается
практически во всех частях Земного шара [например, 17, 18] и присуща многим
природным явлениям. По мнению авторов, из проведенного исследования вытекают
два важных вывода.
1. Сильнейшие землетрясения Тянь-Шаня связаны не только с горизонтальным
сжатием. Это тем более интересно, так как энергия, выделяемая в их очагах,
сопоставима с суммарной энергией, выделяемой совокупностью очагов с
другими типами подвижек. Так как решения МОЗ не несут количественной
информации о поле напряжений Земли, то возможно, что возникновение
сильнейших землетрясений связано не с ослаблением горизонтального сжатия, а
с увеличением вертикально ориентированных усилий. Периодические же
колебания поля напряжений только играют роль «утруски», способствующей
высвобождению как горизонтально, так и вертикально ориентированных
напряжений.
2. Сильные
землетрясения,
происходящие
в
разные
фазы
периодически
меняющегося поля напряжений, имеют разные характеристики проявления, как
в период подготовки землетрясения, так и в период афтершоковой деятельности.
Этот вывод с одной стороны помогает понять, почему наблюдается
разнообразие в подготовке сильных землетрясений и с другой стороны
открывает подступы к решению вопроса о детерминистском подходе к
прогнозным исследованиям.
Литература :
1. Молнар и Таппониер (1975)Кайнозойская тектоника Азии: эффект коллизии,
Наука,189, 419-426
1. Молнар и Кидон (1984) Разрывообразование связанное с сильными
землетрясениями и средняя оценка деформаций в Центральной и Восточной Азии.
Ж.Геофизических исследований.,89 В7,6203-6227
2. Абдрахматов и др. (1996) Современное развитие Тянь-Шаня по данным измерений
GPS, Наука,384,Декабрь,450-453
3. Чедия О.К. (1986) Морфоструктуры и новейший тектогенез Тянь-Шаня. Илим.
4. Нельсон и др.(1987)Очаговые параметры 11-ти землетрясений Тянь-Шаня,
определенные методом инверсий Р и SH волн. ЖГИ,92,12,629-648
5. Фан и др.(1994) Активная тектоника Памира и Каракорума,ЖГИ,99,В4,7131-7160
6. Сычева
Н.А.
Исследование
особенностей
механизмов
очагов
и
сейсмотектонических деформаций Северного Тянь-Шаня по данным цифровой
6
сейсмической сети KNET. Автореферат дис. На соиск. Уч. Степени канд. Физ.-мат.
Наук. Москва, 2004
7. SujoyGhose and Michael W. Hamburger (1998). Sourse parameters of moderate-sized
earthquakes in the Tien-Shan, Central Asia regional moment tensor inversion. GRL,
VOL.25, NO. 16, p.3181-3184.
8. Кальметьева З.А. и др. (2000, 2001, 2002, 2003, 2004) Механизмы очагов
землетрясений Центральной Азии. В ежегоднике “Землетрясения Северной
Евразии”, Москва: ОИФЗ РАН.
9. Балакина Л.М., Введенская А.В., Голубева Н.В., Мишарина Л.А., Широкова Е.И.
(1972). Поле упругих напряжений Земли и механизм очагов землетрясений. М.:
Наука.
10. Безродный Е.М., Туйчиев Х.А. (1988) Поле напряжений земной коры ЮжноФерганской сейсмоактивной зоны по сейсмологическим данным. В :
«Землетрясения Ср.Азии и Казахстана в1984 ». Душанбе: Дониш, стр. 134-151
11. Кalmetieva Z.A., Grebennikova V.V., Iliasov B.I., Chekhovskaya R.A. (2002) On
possibility of the Kyrgyz Tien-Shan stress field monitoring by the data of seismology and
hydrogeochemistry. Thesis of Second Kazakh-Japan Seminar, September 23-27, 2002,
Alma-Ata, Kazahstan, p. 254-262
12. Горбунова И.В., Воинов К.А., Кальметьева З.А. (1988) Определение направления
распространения разрывов в очагах горных ударов. В журнале ФТЖПРПИ N3,
Новосибирск, Наука,с. 25-36.
13. Калметьева З.А., Горбунова И.В. Экспериментальные характеристики излучения
Очагов слабых землетрясений. Фрунзе: Илим. 129 с.
14. Кalmetieva Z.A. (2004) Features of earthquakes in different phases of periodically
varying stress field of the Tien-Shan. Thesis of the XXIX Assembly of the ESC,
September 12-17, 2004, Potsdam, Germany. P. 133
15. J.Zahradnik, A.Plesinger. Long-period pulses in broadband records of near earthquakes
(2004). Abstracts of XXIX General Assembly of ESC, September 12-17, Potsdam,
Germany.
16. Грин В.П., Ильясов Б.И., Ким Н.И. и др. Некоторые результаты прогностических
исследований на Фрунзенском полигоне. Ф кн.: Физические процессы в очагах
землетрясений. М.: Наука. 1980 с. 14-25
17. Кальметьева З.А., Юдахин Ф.Н. Взаимосвязь сильных землетрясений Высокой
Азии. Докл. АН , 1994, том 335, №2, с. 225-231
18. Papadopoulos G.A., Voidomatis Ph. Evidence for periodic seismicity in the inner Aegean
seismic zone. PAGEOPHON, Vol. 125, No. 4, (1987), p. 613-627
7