Баранов С.В. - ОСОБЕННОСТИ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ НА

ОСОБЕННОСТИ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ НА ГРАНИЦЕ ЕВРАЗИЙСКОЙ
И СЕВЕРОАМЕРИКАНСКОЙ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ
С.В. Баранов, А.Н. Виноградов А.Н
Кольский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения
науки Геофизической службы РАН, г. Апатиты
Аннотация
Выполнен
анализ
тензоров
сейсмических
моментов
землетрясений,
зарегистрированных за 1977-2011 гг. в Арктическом сегменте пограничной области,
разделяющей Евразийскую и Северо-Американскую литосферные плиты. Анализ
выполнялся с учетом ошибок определения компонент тензоров. Было установлено, что
в указанном районе присутствуют землетрясения, в очагах которых преобладают как
сдвиговые деформации, так и деформации растяжения (сжатия). На долю сдвиговых
деформаций приходится большая часть суммарного сейсмического момента. Было
показано, что сейсмичность рассматриваемой территории, за исключением хребта
Мона, контролируется не спредингом океанического дна, а сдвиговыми дисклокациями
в районе сочленения литосферных плит.
Abstract
We conducted an analysis of seismic moment tensors of earthquakes occurred in 1977-2011
in Arctic segment of interplate boundary between Eurasian and North American lithospheric
plates. During the analysis we took into consideration the uncertainties of tensor component
estimation. It was revealed that in the most of earthquake sources shear deformations prevail
tension (compressive) ones. We showed that the seismicity of the area, excluding Mon
Ridge, is not controlled by oceanic bottom spreading but shear dislocations in the border
between the lithospheric plates.
Введение
Согласно классическим представлениям, причиной землетрясений являются
сдвиговые смещения плоскости разрыва, возникающие под действием тангенциальных
напряжений накопленных в результате тектонических деформаций. Такие смещения
возникают, если накопленные сдвиговые напряжения по величине превосходят силу
трения на разрыве. Эквивалентной системой сил для подвижки по плоскому разрыву
является пара сил без момента (двойной диполь). В зарубежной литературе такая
модель называется double couple (DC) [9].
Увеличение плотности и чувствительности сейсмических сетей, введение в
практику рутинной обработки данных сейсмологического мониторинга методов
расчета механизма очага позволило установить, что механизмы очагов землетрясений в
районах с вулканической или геотермальной активностью содержат компоненту,
характеризующую изменение объема взрывного или имплозивного типа [10]. Такие
механизмы соответствуют как сдвиговым подвижкам, так и раскрытию трещин,
возникающим по причине
растяжения в очаговой области. Последним могут
содействовать высокое давление и наличие высокотемпературных флюидов.
Если очаг сейсмического события имеет компоненту, соответствующую
раскрытию (сжатию) трещины под действием растягивающих (сжимающих)
напряжения, то его механизм уже не может быть описан только парой сил в виде
двойного диполя.
Тензор сейсмического момента такого землетрясения будет
1
содержать, помимо пары сил, линейный векторный диполь [9], [11]. В зарубежной
литературе такая модель называется non double couple (NDC).
Настоящая работа посвящена изучению механизмов очагов землетрясений в
Арктическом сегменте пограничной области, разделяющей Евразийскую и СевероАмериканскую литосферные плиты (область от -70 З.Д. до 1200 в.д. и от 720 до 900
с.ш. – район исследования), в которых несдвиговая компонента имеет существенное
влияние. База данных исследования – глобальный каталог CMT.
Краткая геолого-тектоническая характеристика и сейсмичность района
исследований
Район исследования в геолого-тектоническом плане представляет собой область,
где пассивная окраина Евразийской плиты, граничит с зонами ультрамедленного
спрединга в областях молодого океанообразования в Северной Атлантике (хребты
Киповича, Мона и Шпицбергенская зона разломов – ШЗР) и Северном Ледовитом
океане (хребет Гаккеля). Скорость спрединга в районе хребта Книповича составляет от
0.15 до 0.5 см в год, на хребте Мона – 1.3-2.0 см в год [8] и на хребте Гаккеля – 0.9-1.1
см в год [12].
Согласно современным представлениям [1], [4], [14, сейсмичность этой части
Арктики контролируется преимущественно спрединговыми процессами. Основная
масса ощутимых землетрясений западной и центральной Арктики сконцентрирована
вдоль составляющих Срединно-Атлантического хребта (хребты Мона, Книповича и
ШЗР) и его северного продолжения – хребта Гаккеля (рис. 1). В то время как
арктическая континентальная окраина является практически асейсмичной.
Исключением является западная окраина Баренцевоморского шельфа, охватывающая
также континентальный склон и Свальбардское поднятие, морфологически
проявленное в виде архипелага Шпицберген. Здесь в районе континентального склона
и пролива Стур-фиорд и зафиксировано поле сейсмичности. Последнюю зону трудно
увязать с закартированными в этом районе дизъюнктивными структурами на дне моря
и суше островов [3].
В районе пролива Стур-фиорд расположен один из самых активных ареалов
внутриплитовых землетрясений, в котором 21 февраля 2008 г. в 02:46:17.41 UT
произошло землетрясение с магнитудой Mw = 6.1. Это событие является сильнейшее за
всю столетнюю историю сейсмического мониторинга на шельфе Западной Арктики..
Главный толчок вызвал афтершоковый процесс, который определяется не только
релаксацией напряжений в очаговой области, но и, возможно, сопровождается
разрушением слоя газовых гидратов [6].
2
Рис. 1. Сейсмогенные зоны и механизмы очагов ощутимых землетрясений,
зарегистрированных в исследуемом районе за 1977-2011 гг. по данным каталога CMT
Методика исследований
Для характеристики очага землетрясения использовался тензор сейсмического
момента Mij, связанный с полем смещений следующим образом [2]:
un = Mij * Gni,j ,
(1)
где un (n = 1, 2, 3) – компонента смещения; Gni,j – производная функции Грина, которая
дает i-ю компоненту смещения, вызванного действием единичной силы в j-м
направлении; * обозначает свертку. Тензор сейсмического момента является
симметричным и имеет 6 независимых компонент, характеризующих деформацию в
очаге.
Тип деформации в очаге землетрясения (сдвиг, растяжении или сжатие)
определялся с помощью Коэффициента Лоде-Надаи:
(2)
LN  3V2 /(V1  V3 ),
где V1 ≥ V2 ≥ V3 – собственные числа тензора Mij. Данный коэффициент позволяет
оценить вид деформации: при LN = 0 имеет место чистый сдвиг сдвига, при LN = 1 (-1)
– одноосное сжатие (растяжение). Использование коэффициента Лоде-Надаи в
сейсмологической практике было предложено С.Л. Юнгой [5].
В каталоге CMT также приводятся ошибки определения компонент тензора (δMij),
которые могут существенно изменить значения коэффициента Лоде-Надаи [15]. Для
учета ошибок определения компонент тензора была использована следующая
методика. Пяти независимым компонентам тензора придавались возмущения,
равномерно распределенные на интервале ошибок (Mij - δMij, Mij + δMij); оставшаяся
независимая компонента M33 вычислялась из условия нулевого следа
(M11 + M22 + M33 = 0)1. Затем по возмущенным значениям рассчитывались
коэффициенты Лоде-Надаи (2). Для каждого события вычислялось 107 возмущенных
Необходимость учета условия нулевого следа тензора сейсмического момента подтверждена проф.
Колумбийского Университета (США) Гораном Екстремом (Goran Ekstrom), который руководит
формированием каталога CMT.
1
3
коэффициентов Лоде-Надаи, на основании которых оценивалось истинное значение
LN* следующим образом. Если возмущенные значения LN (2) меняют знак, то имеет
место сдвиговые деформации и LN* = 0; если знак не меняется, то в механизме очага
присутсвуют деформации растяжения (сжатия) и LN* = <LN> (среднее по возмущенным
значениям).
Тип деформации в очаге землетрясения определялся следующим образом. Если
abs(LN*) < 0.2 – преобладает деформация сдвига, иначе преобладает деформация
растяжения (сжатия). Скалярный сейсмический момент, порожденный деформациями
растяжения (сжатия), M’0, пропорционален абсолютному значению коэффициента
Лоде-Надаи:
M’0 = M0·abs(LN*),
(3)
где M0 – скалярный сейсмический момент анализируемого землетрясения.
Если LN* = 0, то имеет место чистый сдвиг и, согласно (3), скалярный
сейсмический момент несдвиговой составляющей (M’0) равен нулю. Если же в
механизме очага присутсвуют деформации растяжения (сжатия), то определяемый (3)
соответствующий им скалярный момент пропорционален оценке коэффициента ЛодеНадаи (LN*). Если же деформация в очаге имеют вид одноосного растяжения (сжатия),
то LN* = 1, т.е., весь скалярный момент определяется несдвиговой компонентой.
Данный подход позволяет выделить землетрясения, у которых NDC
составляющая действительно присутствует, а не обусловлена объективными
неопределенностями, возникающими при расчете компонент тензора сейсмического
момента (см., например, [7]).
Результаты
Количество землетрясений, в очагах которых превалируют деформации сдвига и
вклад деформация растяжения (сжатия) в суммарный сейсмический момент
сейсмогенных зон исследуемого района приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сейсмическая активность
и характеристика деформационных
процессов в сейсмогенных зонах исследуемого района за 1977-2011 гг.
(1 – общее количество землетрясений; 2 – количество землетрясений с
превалированием сдвиговых деформаций (abs(LN*) < 0.2); 3 – процент землетрясений с
превалированием деформаций растяжения (сжатия) (abs(LN*) > 0.2); 4 – суммарный
сейсмический момент (дин-см); 5 – процент вклада деформаций растяжения (сжатия) в
суммарный сейсмический момент).
Сейсмогенная зона
Континентальная окраина
Хребет Гаккеля
Хребет Мона
Хребет Книповича+ШЗР
Весь район
1
5
69
32
58
164
2
2
56
21
39
118
3 (%)
60
18.8
34.4
32.8
28.1
4 (Нм)
1.90E+25
1.039E+26
3.90E+25
3.13E+26
4.75E+26
5 (%)
22.9
2.7
16.4
14.7
12.6
На континентальной окраине у 60% землетрясений в очагах преобладают
деформации растяжения сжатия; их вклад в суммарный сейсмический момент не
превосходит 23%. В остальных сейсмогенных зонах очагов землетрясений с
преобладающими деформациями растяжения (сжатия) менее 35% и на их долю
приходится менее 16.4% суммарного сейсмического момента (табл. 1)
На хребте Гаккеля несдвиговая составляющая, вызванная раскрытием трещин или
4
вулканическими извержениями, контролирует лишь 2.7% суммарного сейсмического
момента (табл. 1). Согласно общепринятым представлениям, в районах хребтов Мона,
Книповича и Гаккеля (рис. 1) происходит ультрамедленное расширение морского дна
(спрединг), которое сопровождается проявлениями вулканизма. В частности в районе
хребта Гаккеля в 1999 г. наблюдалась вулканическое извержение, зафиксированное
сонарами американской подводной лодки Hawkbill [13]. Извержение сопровождалось
роем из 252 землетрясений с магнитудами mb от 3 до 5.5. Тензоры сейсмических
моментов для 21 из этих землетрясений содержаться в каталоге CMT; их суммарный
сейсмический момент равен 2.99·1025 дин-см; у 17 из них в механизмах очагов
преобладают сдвиговые деформации; на деформации растяжения (сжатия) приходится
4% суммарного сейсмического момента, что превышает аналогичное значение для всех
событий с хребта Гаккеля (табл. 1). Тем не менее, более 81% очагов всех землетрясений
на хребте Гаккеля обусловлены сдвиговыми подвижками по действием тангенциальных
напряжений. Кроме того, на хребте Гаккеля на сдвиговые дислокации приходится
более 97% суммарного сейсмического момента.
Больший процент землетрясений, в очагах которых преобладают деформации
растяжения (сжатия) наблюдается на хребте Книповича и в Шпицбергенской зоне
разломов (ШЗР). На долю таких событий приходится на хребте Мона 16.4% , а на
хребте Книповича 14.7% суммарного сейсмического монета (табл. 1). Таким образом,
на границе между Североамериканской и евразийской плитами хребты Мона и
Книповича является зоной, где деформации, вызванные действием растягивающих
(сжимающих) напряжений, проваляются наиболее отчетливо, что обусловлено
спредингом океанического дна.
Сдвиговые деформации преобладают в очагах большей части землетрясений за
исключением континентальной окраины (табл. 1) и генерируют большую часть
суммарного сейсмического момента этих зон. Логично предположить, что
традиционные представления о раздвиговых движениях земной коры в этих районах и
их влиянии на сейсмичность центральной и западной Арктики следует изменить,
дополнив их доминирующими сдвиговыми смещениями.
Заключение
На основе анализа тензоров сейсмического момента землетрясений
произошедших на границе между Евразийской и Североамериканской литосферными
плитами за 1977-2011 гг. было установлено, что в очагах большей части событий
преобладаюют сдвиговые деформации, которые генерирующие более 88% суммарного
сейсмического момента.
Тектоническая обстановка и сейсмогенез в районах хребтов Книповича и
Гаккеля, которые формируют северо-западный и северный сегменты границы между
Евразийской и Североамериканской литосферными плитами требует более детального
изучения. Пространственное распределение землетрясений, в очагах которых
преобладают деформации растяжения (сжатия), не соответствует общепринятой
геодинамической модели, согласно которой сейсмичность этой территории
контролируется спредингом океанического дна, поскольку большая часть суммарного
сейсмического момента определяется сдвиговыми дислокациями.
Эти результаты указывают на то, что в Арктическом секторе межплитная граница
Евразии и Северной Америки в настоящее время вышла из режима дивергенции и на
всем протяжении от Шпицбергена до моря Лаптевых представляет собой
трансформную тектоническую структуру. Дивергентный режим межплитного раздела
сохраняется, по-видимому, лишь в хребте Мона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5
1. Аветисов Г.П. Некоторые параметры землетрясений Срединно-Арктического
сейсмического пояса // Геолого-геофизические характеристики литосферы
Арктического региона. 2006. № 6. C. 176-187.
2. Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. – М.: Мир, 1983. – 880с.
3. Баранов С.В., Виноградов А.Н. Возможные причины аномальной сейсмической
активности в проливе Стур-фиорд (архипелаг Шшпицберген) в 2008–2009 годах //
Вестник СПбГУ. 2010. Сер. 7. Вып. 4. С. 23-31.
4. Иванов С.С., Карасик А.М., Соколов В.Н. Сейсмологические доказательства
влияния Срединно-океанического хребта на северо-западную окраину Европейского
континента // Труды Х генеральной ассамблеи ВСК, т.2. М.: АН СССР, 1968. С.
205–213.
5. Юнга С.Л. О механизме деформирования сейсмоактивного объема земной коры //
Изв. АН СССР. Физика Земли . 1979. № 10. С. 7 – 25.
6. Baranov S.V. Modeling and simulating an aftershock process caused by a strong
earthquake in the Barents Sea shelf // Russian Journal of Earth Sciences. 2011. V. 12,
ES1002, doi:10.2205/2011ES000502.
7. Bukchin B., Clévédé E., Mostinskiy A. Uncertainty of moment tensor determination from
surface wave analysis for shallow earthquakes //J. Seismol. 2010. V.14. P. 601-614, doi:
10.1007/s10950-009-9185-8.
8. Crane K., Eldholm O., Myhre A., Sundvor E. Thermal implications for the evolution of
the Spitsbergen transform fault // Tectonophysics. 1982. V. 89. P. 1–32.
9. Frohlich C. Earthquakes with Non-Double-Couple Mechanisms // Science. 1994. V. 264.
P. 804–809.
10. Julian B.R., Miller A.D., Foulger G.R. Non-double-couple earthquakes. 1. Theory. //
Reviews of Geophysics. 1998. V.36, N 4. P. 525-549.
11. Lay T., Wallace T.C. Modern global seismology. San Diego: Academic Press, 1995. P.
521.
12. Michael. J., et al. Magmatic and amagmatic seafloor generation at the ultraslowspreading Gakkel ridge, Arctic Ocean // Nature. 2003. V. 423. P. 956-961.
13. Tolstoy M., Bohnenstiehl D. R., Edwards M.H. Kurras G. J. Seismic character of
volcanic activity at the ultraslow-spreading Gakkel Ridge // Geology. 2001; V. 29; №. 12.
P. 1139–1142
14. Schlindwein V., Muller C., Jokat W. Microseismicity of the ultraslow-spreading Gakkel
ridge, Arctic Ocean: a pilot study // Geophys. J. Int. 2007. V.169. P. 100-112.
15. Yunga S., Lutikov A., Molchanov O. Non double couple seismic sources, faults
interaction and hypothesis of self-organized criticality // Natural Hazards and Earth
System Sciences. 2005. V. 5. P. 11–15.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Баранов Сергей Владимирович
к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Кольского филиала Федерального
государственного бюджетного учреждения науки Геофизической службы РАН.
E-mail: [email protected]
Виноградов Анатолий Николаевич
6
к.г.-м.н., директор Кольского филиала Федерального государственного бюджетного
учреждения науки Геофизической службы РАН.
E-mail: [email protected]
7