Поля смещений и параметры сейсмического разрыва по GPS данным

Объект исследования.

Поля смещений в зоне сильного землетрясения, дислокационные модели смещений земной коры.

Актуальность.'.

Появление в последние десятилетия различных модификаций методов космической геодезии субмиллиметровой точности позволило использовать результаты этих измерений для решения задач геофизики. Полученные скорости смещения на различных континентах дают количественные оценки для теории тектоники плит, эффектов внутриконтинентальных смещений и деформаций, связанных с сейсмическим процессом. Картина смещенийдля Азии до недавнего времени строилась по геологическим данным [Zonenshain & Savostin, 1981; Peltzer, 1988; Peltzer&Tapponnier, 1988; Peltzer&Saucier, 1996], а в последние десятилетия методами GPS геодезии получены количественные оценки для Китая, Монголии и Тянь-Шаня [Зубович, 2006, Calais et al., 2003]. В этих результатах также отражаются процессы косейсмических подвижек, постсейсмических течений и раздвижение рифтовой впадины оз. Байкал [Саньков и др., 1999, 2005; Calais et al., 2006]. Для территории Горного Алтая, связывающей отдельные регионы центральной Азии до 2000 г. таких измерений не проводилось. Определение величины косейсмических смещений, их распределение в пространстве и во времени является важной задачей геофизики и позволяет разрабатывать модели землетрясений [Гольдин, 2004, 2005; Тимофеев 2006; Добровольский, 1991]. Данные о косейсмических смещениях получены методами космической геодезии в различных регионах Земли [Burgmann et al., 2001; Kogan et al., 2003; Стеблов, 2004; Прытков, 2008]. Изучение поля скоростей смещений по сети, охватывающей регион, позволяет переходить к ряду классических задач геофизики — определению глубины разрыва, оценкам деформаций, сейсмического момента и магнитуды землетрясения:

Цель работы: установить закономерности распределения и природу полей смещений и деформаций Горного Алтая, связанных с сильным землетрясением и современными тектоническими силами.

Задача работы: определить параметры Чуйского землетрясения на основе экспериментальных GPS данных, полученных по сети Горного1 Алтая, выделить тектоническую составляющую современных движений Горного Алтая.

Решение задачи проводилось в несколько этапов:

1. Используя имеющуюся геолого-геофизическую информацию по Алтае-Саянскому региону определена конфигурация сети GPS-измерений.

2. Проведение ежегодных GPS измерений по Алтае-Саянской сети в соответствии с технологией, принятой в мировой практике.

3. Определялось поле 3D смещений для региона Горный Алтай и его окружения, в периоды перед, в момент и после Чуйского землетрясения.

4. Анализ существующих моделей смещений земной коры Азии.

5. Моделирование 2D смещений с использованием упругой модели.

6. Используя экспериментальные данные определение параметров сейсмического разрыва (величина подвижки, глубина разрыва и его протяженность, сейсмический момент и магнитуда землетрясения).

7. ЗО-моделирование и сравнение с полученными экспериментально 3D полями смещений.

Фактический материал, методы исследований и аппаратура.

1. GPS данные постоянной станции NVSK за период 2000;2008 гг. (Новосибирск, ИНГТ СО РАН, Тимофеев В. Ю., Ардюков Д. Г., Запреева Е.А.).

2. GPS данные 25 постоянных мировых станций международной геодинамической сети IGS, предоставленные центром хранения и обработки GPS данных SOP АС (USA).

3. Экспериментальные GPS данные, полученные при активном участии автора в период ежегодных полевых экспедиций в регионе Горный Алтай, с 2000 г. по 2008 т.

4. Сейсмологическая информация, полученная по* району Горного' Алтая в Геофизической службе СО РАН и мировых центрах обработки сейсмологической информации USGS (USA), за период 2000 — 2008 гг.

Теоретическими основами решения научной задачи являются: модели плитного движения Евразии (NUVEL-NNR-1A, APKIM2000, AR-IR-2006) — теория преобразования координат — геоцентрическаягеографическая — локальнаятеория упругой отдачи Рейдастатическая задача теории упругости для разломов со смещением по простиранию, при различных начальных и граничных условиях (2D) — аналитическое 3D-решение с разнонаправленными смещениями по разрыву.

Основным методом исследования является эксперимент, построенный на измерениях высокоточной аппаратурой GPS на 20 пунктах, расположенных в регионе Горный Алтай, с привлечением материалов сейсмологических и геоморфологических исследованийанализ GPS данных с применением алгоритма уравнивания сети методом наименьших квадратов, применяемым для оценки орбитальных параметров спутников, фазовых неоднозначностей и ковариационных матриц положений станций, используемых далее для оценки смещений станций с помощью фильтра Кальманаметод сравнительного анализа полученных результатов с известными данными радарной спутниковой съемки InSAR.

Экспериментальные данные были получены с помощью комплекта двухчастотных GPS-приемников Trimble 4700 и Sokkia Radian GePos 24.

Для обработки данных использовался набор программных средств: RemoteController, Gpload, GPSurvey (Trimble software, 2000) — Gamit/GLOBK (King, 2000; T. Herring, 1995) — Matlab 7.0.1 R14 SP1 (The Math Works Inc., 1984;2008) — пакет обработки для Matlab Coulomb 3.1.09 (Shinji Toda, Jian Lin, Ross Stein, Volkan Sevilgen, 2009) с использованием ОС Windows, Linux RedHat.

Защищаемые научные результаты:

1. Впервые для Горного Алтая получено поле ЗО-смещений перед, в момент и после крупного землетрясения (Чуйское землетрясение), определены особенности полей на различных этапах, выделена тектоническая составляющая современных движений Горного Алтая (2 мм/год на СЗ).

2. Используя упругую модель смещений и экспериментальные GPS данные, полученные в зоне землетрясения, получена оценка глубины сейсмического разрыва (до 15 км), протяженности разрыва (140 км), величины смещений на разрыве (2 м), сейсмического момента (10″ Н-м) и магнитуды (7.2) Чуйского землетрясения.

Научная новизна и личный вклад.

Впервые в Западной Сибири построена и запущена базовая GPS станция NVSK (DOMES 12 319М001) в Новосибирске, метрологического уровня, введенная в международную геодинамическую сеть постоянных станций IGS с 2000 г. На станции впервые получены значения смещения в географических координатах, относительно центра Земли: -2,27±0,06 мм/год на север, 25,72±0,09 мм/год на восток, -0,13±0,19 мм/год по высоте. С привлечением данных этой станции протестированы модели плитного вращения Евразии NUVEL-NNR-1A и APKIM2000, получены отклонения (±2 мм) от существующих моделей. С привлечением данных по постоянным станциям Урала и Сибири построена модель плитного движения Евразии АК.-1К.-2006, с минимальным отклонением (±0,2 мм) от экспериментальных данных севера Евразии.

Впервые получены данные по ЗО-смещениям в эпоху перед крупным землетрясением на Горном Алтае (2000;2003 гг.), в которых выявлены аномалии в распределении скоростей современных движений земной.коры. Изменение ориентации скоростей горизонтальных движений выделено в зоне будущего землетрясения. В поле скоростей Горного ^ Алтая проявляется как компонента СВ смещения, проявляющаяся на пунктах Тибета (Лхаса), западного Китая (Урумчи) и северо-западной Монголии, так и компонента СЗ смещения, отмеченная также на прилегающей территории Восточного Казахстана. Величины смещений для территории Горного Алтая составляют 0.2^-4 мм в год, и только на юге скорости возрастают до 5-^10 мм.

Впервые получено поле косейсмических смещений для Горного Алтая (2003;2004 гг.), что позволило выделить горизонтальные смещения до 350 мм в 15 км от эпицентра Чуйского землетрясения. Вертикальные смещения пунктов составили 10-к30 мм. Распределения смещений после землетрясения (правосторонний сдвиг в эпицентральной части), затухание смещений с увеличением расстояния от разрыва, особенности поля скоростей до события приводят к выбору модели упругой отдачи для описания смещений в эпицентральной зоне. Экспериментальные результаты и 20-модельные соотношения позволили определить: ориентацию разрыва (140° N ± 15°), величину смещения по линии разрыва (2 метра), глубину разрыва (от 5 до 15 км в разных частях эпицентральной зоны) — сделать оценку сдвиговых напряжений в 4 МПа. ЗБ-моделирование позволило оценить: протяженность разрыва (140 км), сейсмический момент.

КГ1 Н-м) и магнитуду (7,2) Чуйского землетрясения. Измеримые смещения земной коры охватывают территорию с размерами в несколько сотен километров. Деформации земной коры, снятые при землетрясении в зоне до 100 км достигают единиц на 10″ 6. Выделено поле постсейсмических смещений Горного Алтая (2004;2007 гг.). Впервые получено поле тектонических смещений Горного Алтая (2000;2007 гг.).

Научная и практическая значимость.

Впервые получены значения координат искоростей пунктов" геодинамической сети Алтая, являются метрологической основой для развития геофизических исследований. Полученные результаты могут использоваться для уточнения и построения моделей смещений и деформирования зоны активной деформации юга Сибири, развития теории прогноза землетрясений, структурных исследований земной коры.

Впервые полученные координаты и скорости пунктов, являясь высокоточной основой, могут быть использованы для повышения точности рядовых геодезических измерений в данном регионе, что имеет большое значение для развития геофизических, картографических, кадастровых, инженерно-изыскательских, дорожно-строительных работ.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты исследований неоднократно докладывались на российских и международных конференциях: «Геофизика-2001», Новосибирск- «Проблемы региональной геофизики» 2001, Новосибирск- «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов», 2002, Бишкек, Киргизия- «Asian-Pacific Space Geodynamics» Project (APSG-2002, 2005, 2006, 2008) Иркутск, Hong Kong, Jeju, South Korea, Новосибирск- «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков», 2002, Иркутск- «Современные проблемы геодезии и оптики», 2003, НовосибирскСибирская конференция молодых ученых по Наукам о Земле, 2004, 2006, Новосибирск- «Современная геодинамика и сейсмичность Центральной Азии, фундаментальные и прикладные аспекты», 2005, Иркутск- «Активный геофизический мониторинг литосферы Земли», 2005, НовосибирскГЕО-СИБИРЬ-2006, 2007, 2008,.

НовосибирскXL, XLI Тектоническое совещание 2007, 2008, Москва- «Трофимуковские чтения», 2007, 2008, 2009, Новосибирск- «New Challenges in Earth’s Geodynamics» (ETS-2008), Jena, Germany.

Результаты неоднократно обсуждались на заседаниях лаборатории естественных геофизических полей и лаборатории физических проблем геофизики Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН.

По теме диссертации автором опубликовано 54 работы, в том числе 7 в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из 3 глав, введения и заключения. Общий объём работы составляет 150 страниц, в том числе 19 таблиц, 70 рисунков и списка литературы из 132 наименований.

Благодарности.

Автор выражает свою искреннюю благодарность за постановку задачи, обсуждение результатов своему научному руководителю д.ф.-м.н. Тимофееву В. Ю., а также академику Гольдину C.B., академику Эпову М. И., д.г.-м.н. Дучкову Д. Г., к.г.-м.н. Дядькову П. Г., д.т.н. Ельцову И. Н. за внимание и поддержку при выполнении работы.

Выводы по главе.

В результате обработки данных для эпохи косейсмических смещений (2003;2004 гг.) обнаружена зависимость смещений от расстояния до плоскости сейсмического разрыва, выходящей на поверхность. Зарегистрированные смещения уменьшаются от 0.3 м в 15 километрах от линии разрыва до 0.02 м в 90 километрах. Вертикальные смещения также достигают максимальных значений (15−35 мм) для трех станций (CHAG, KURA, UKOK) вблизи разрыва. При этом вертикальные смещения более чем на порядок меньше горизонтальных, что позволяет для центра зоны использовать модели 2D смещений. Проанализированы модели винтовой дислокации и разлом со смещением по простиранию в упругом полупространстве с вертикальным разрывом. По экспериментальным GPS данным смещений пунктов KURA и CHAG, полученным около эпицентра определена ориентация плоскости разрыва 140°N ± 15°. Используя модельные представления и экспериментальные данные, получены оценки: относительного смещения по разрыву — 2 метра и глубины разрыва 14^-17 км. Оценено изменение глубины разрыва от центральной его части к краям и протяженности разрыва 140 км. При значениях модуля упругости среды G от 30 ГПа до 55 ГПа, глубине от 9 км до 16 км и относительном смещении 2 м получаем оценки напряжения от 2 до 6 МПа. Среднее значение — 4 МПа. По экспериментальным GPS результатам получена модель разрыва, которую можно представить в виде трех плоскостей. При величине относительного смещения Дю = 2 м и при модуле упругости земной коры ц = 3.3−1010 Па, получаем величину сейсмического момента.

ЛА.

МО = 0.9−10 Н-м. Таким образом, для магнитуды землетрясения получаем оценку Mw = 7.2. Проведено сравнение использованного модельного подхода на экспериментальных данных по радарной съёмке в зоне Кунь-Луньского землетрясения. Использование модели 3D смещений по ограниченному разлому при полученных параметрах разрыва показало хорошее соответствие нашим экспериментальным данным. Исключая зону косейсмических и постсейсмических смещений (южную часть Горного Алтая) для эпохи 2000;2007 гг. впервые определены параметра поля тектонических смещений Горного Алтая. Вектор горизонтальных смещений направлен на северо-запад, а его величина составляет 2 мм в год. Для вертикальных движений скорость минимальна, около нуля при ошибке менее одного миллиметра.

3 АК ЛЮЧЕНИЕ.

Основным результатом исследований является поле скоростей современных вертикальных и горизонтальных движений для территории Горного Алтая. Создание в этом районе сети GPS станций позволило соединить соответствующие сети Средней Азии, Тувы и Байкальской рифтовой зоны. Анализ результатов наблюдений по этим сетям, с привлечением данных по Монголии и Китаю позволяет сделать вывод о затухание смещений при приближении к платформам Сибири. Важным итогом работы является получение поля скоростей перед сильнейшим Чуйским землетрясением на юге Горного Алтая. В поле горизонтальных скоростей Горного Алтая проявляется как компонента СВ смещения, проявляющаяся на пунктах Тибета (Лхаса), западного Китая (Урумчи) и северо-западной Монголии, так и компонента СЗ смещения, отмеченная также на прилегающей территории Восточного Казахстана. Величины смещений для территории Горного Алтая составляют от 0.2 до 3 мм в год, и только на юге скорости возрастают до 5−10 мм год (эпоха 2000;2003 гг.). о.

Поле смещений Горного Алтая является результатом сжатия (3−10″ /год) по направлению север-юг. В зоне будущего землетрясения появляется о сдвиговая компонента (7−10″ /год). Для косейсмических смещений (20 032 004 гг.) характерен правосторонний сдвиг в эпицентальной части. Особенности поля скоростей до и после события приводят к выбору модели упругой отдачи. Полученные результаты лежат в рамках дислокационной теории землетрясений. Экспериментальные результаты и их интерпретация в рамках статической задачи позволили определить параметры сейсмического разрыва: ориентация плоскости разрыва 140°N±15°, относительное смещение (2 метра), распределение глубины (от 5 до 15 км), снятого сдвигового напряжения (4 МПа), величины сейсмического момента М0 = 0.9−10″ Н-м и магнитуды землетрясения 7.2. Как показали представленные результаты при землетрясениях магнитудой М>7 измеримые смещения земной коры охватывают территорию с размерами в несколько сотен километров. Деформации земной коры, снятые при землетрясении в зоне до 100 км достигают единиц на 10~6. При исключении эпицентральной области получена оценка скорости современных тектонических движений Горного Алтая (2 мм в год, на СЗ). Она оказалась в пределах современных модельных представлений для южной и центральной Азии. В работе показаны возможности методов космической геодезии при изучении параметров очага сильного землетрясения, что является важным при изучении землетрясений случившихся в труднодоступных высокогорных районах. Полученные результаты также важны для развития теории землетрясений и поиска методов их прогноза. Развитие высокоточных геодинамических сетей имеет важное практическое значение для развития геофизических, картографических, кадастровых, инженерно-изыскательских, дорожно-строительных работ в регионах Сибири.