CC BY
45
УДК 550.8
Н.Г. Гамбурцева А.Г. Гамбурцев
Гамбурцева Н.Г.*, Гамбурцев А.Г.**, Сидоренков Н.С.***, Усольцева О.А.****
О.А. Усольцева
Н.С. Сидоренков
Анализ и сопоставление современных геодинамических процессов на платформах и в зонах коллизии по данным сейсмического просвечивания литосферы
"Гамбурцева Нина Григорьевна, кандидат физико-математических наук, ведущий инженер Института физики Земли РАН им. О.Ю. Шмидта,
E-mail: [email protected]
""Гамбурцев Азарий Григорьевич, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физики Земли РАН им. О.Ю. Шмидта
E-mail: [email protected]
***Сидоренков Николай Сергеевич, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией ФГБУ Гидрометцентра России
****Усольцева Ольга Алексеевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФГБУН институт динамики геосфер РАН
Для изучения современных геодинамических процессов сейсмологи используют метод сейсмического просвечивания. В нашем случае источниками служили глубокофокусные Гиндукушские землетрясения (ГГЗ) из квадрата 40x40 км Афганской подзоны Гиндукушских землетрясений. Составлены временные ряды скорости пробега первой продольной волны Vp в пределах 1964-2011 гг. Построены и проанализированы временные ряды скоростей Vp на станциях Тикси и Южно-Сахалинск, расположенных в зонах коллизии, и проведено их сопоставление с временным рядом для станции Обнинск (Русская платформа).
Ключевые слова: изучение геодинамических процессов, метод сейсмического просвечивания, сейсмические скорости, временные ряды скорости пробега первой продольной волны, тренд скоростей, гео- и гелиомагнитные параметры, платформы, коллизионные зоны.
Для изучения современных геодинамических процессов в разных регионах сейсмологи используют метод сейсмического просвечивания. В качестве источника сейсмических волн привлекались калиброванные подземные ядерные взрывы (ПЯВ) с Семипалатинского и Невадского полигонов, для которых известны с высокой
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ 4(14)/2013
точностью координаты и время проведения взрывов1. Систематическое проведение ядерных взрывов было прекращено в 1996 г., и тогда в качестве источника сейсмических волн была рассмотрена возможность использования глубокофокусных Гиндукушских землетрясений из ограниченной определенными координатами зоны2. Количество землетрясений из выбранной зоны варьировало от 10 до 40 в год, что в 2-10 раз превышало количество взрывов, а длина временного ряда увеличивалась до 40 и более лет.
В результате проведенных исследований на 17 сейсмических станциях, расположенных в разных по своему тектоническому строению регионах - Обнинск, Пулково, Ельцовка, Тикси (Русская платформа, Сибирская платформа), Свердловск (Центрально-Уральская мегазона), Арти (Предуральский прогиб), Бодайбо (Забайкалье), Пржевальск, Бишкек, Чумыш, Арсланбоб, Каджи-Сай, Нарын, Манас, Суфикурган (Тянь-Шань), - были выявлены временные изменения скоростей сейсмических волн, вызванные изменениями напряженно-деформированного состояния (НДС) пород земной коры и литосферы в зоне выхода сейсмического луча, т.е. в блоке под станцией наблюдения.
Анализ и сопоставление линейных трендов временных рядов скоростей сейсмических волн, представленный в данных исследованиях, показал, что изменения напряженного состояния пород литосферы оказываются относительно слабыми на платформах и более сильными в условиях сейсмически активных регионов. Обнаружена положительная корреляция величин трендов с величинами современных горизонтальных движений литосферы изучаемых регионов по данным GPS-наблюдений. Положительный линейный тренд свидетельствует об общем росте НДС литосферы на современном этапе ее развития и, как показывают наши данные, - более активном в условиях земной коры и ослабевающем при переходе в верхнюю мантию.
Отмечена корреляция трендов рядов скоростей пробега сейсмических волн и ряда скорости вращения Земли. Наилучшая корреляция между этими рядами наблюдается для станций, расположенных на платформах, где сейсмичность и активные геодинамические процессы слабо выражены. На фоне линейного тренда на всех станциях наблюдаются вариации времен пробега с периодами 0,3 г., 0,4-0,6 г., 0,9-1,0 г., 1,2-1,4 г, 2-3 г., 5- 6 лет, 10-12 лет, которые находят соответствие в периодах нестабильности вращения Земли, солнечной и геомагнитной активности.
Настоящая работа является продолжением проводимых исследований и касается изучения особенностей современных геодинамических процессов в зонах коллизии.
С этой целью построены и проанализированы временные ряды скоростей сейсмических волн на двух станциях Тикси и Южно-Сахалинск, расположенных в зонах коллизии, и проведено их сопоставление с временным рядом для станции Обнинск, которая находится на территории Русской платформы.
Станция Тикси расположена на северной окраине Сибирской платформы, на границе платформы с зоной альпийской складчатости Приверхоянского передового прогиба3. По данным Ю.Г. Гатинского с соавт.4, станция Тикси находится в Усть-Ленской транзитной зоне, отделяющей Северо-Евразийскую литосферную плиту от соседней Северо-Американской плиты. Эти зоны (зоны коллизии) служат участками передачи и релаксации возникающих между плитами тектонический напряжений. Причем вектор скорости горизонтального движения здесь направлен с северо-запада на юго-восток.
Станция Южно-Сахалинск находится в Тихоокеанском регионе, где происходит свыше 80% всех мировых сейсмических событий. Станция расположена на юге острова Сахалин, который представляет собой северное продолжение Сахалино-Японской островной дуги и трассирует границу Охотоморской и Евразийской плит. Рядом располагается Курило-Камчатская зона субдукции, которая является наиболее подвижным и сейсмоактивным регионом в северо-восточной части Евразии, где скорость поддвига океанической литосферной плиты под континентальную составляет до 8 см/г, по данным GPS5.
Методика обработки данных и результаты
В качестве параметра выбрана величина скорости пробега первой продольной волны Vp. Для каждой станции были построены два временных ряда скоростей пробега Vp - от взрывов на Семипалатинском поли-
1 Гамбурцева Н.Г., Люкэ Е.И., Николаевский В.Н., Орешин С.И., Пасечник И.П., Перегонцева В.Е., Рубинштейн Х.Д. Периодические вариации параметров сейсмических волн при просвечивании литосферы мощными взрывами // Докл. АН СССР. 1982. Т. 266. № 6. С. 1349-1353; Гамбурцева Н.Г., Сабитова Т.М., Султанов Д.Д., Санина И.А., Кузнецов О.П., Волкова И.В., Усольцева О.А. Геодинамические процессы в сейсмоактивных районах Тянь-Шаня по данным мониторинга с использованием ядерных взрывов // Физика Земли. 2006. № 4, С. 3-13; Ан В.А., Люкэ Е.И., Пасечник И.П. Вариации параметров сейсмических волн при просвечивании Земли на расстоянии 90 // Докл. АН СССР. 1985. Т. 285В. № 4. С. 836-840; Ан В.А., Люкэ Е.И. Циклические изменения параметров сейсмической волны Р на трассе Невада - Боровое // Физика Земли. 1992. № 4. С. 20-31; Адушкин В.В., Ан В.А., Гамбурцева Н.Г., Дараган С.К., ЛЮке Е.И., Овчинников В.М. Сейсмический мониторинг литосферы при помощи ядерных взрывов // Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Т. 2: Циклическая динамика в природе и обществе. М.: Научный Мир, 1999. С. 145-150.
2 Адушкин В.В., Ан В.А., Каазик П.Б., Овчинников В.М. О динамических процессах во внутренних геосферах Земли по временам пробега сейсмических волн // Докл. РАН. 2002. Т. 381. № 6. С. 822-824; Адушкин В.В., Гамбурцева Н.Г.,Султанов Д.Д., Санина И.А. Нестеркина М.А., Усольцева О.А. О результатах долговременного просвечивания литосферы сейсмическими волнами сильных взрывов и землетрясений // Докл. РАН. Т. 418. № 1. 2007. С. 95-100; Адушкин В.В., Гамбурцев А.Г., Гамбурцева Н.Г., Нестеркина М.А., Санина И.А., Сидоренков Н.С., Султанов Д .Д., Усольцева О.А. О возможном вкладе глобальных воздействий в ритмическую структуру современных геодинамических процессов.// Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Т. 4. М., 2009; Адушкин В.В., Гамбурцева Н.Г., Нестеркина М.А., Санина И.А., Султанов Д.Д., Усольцева О.А. О связи вариаций времен пробега сейсмических волн с изменениями скорости вращения Земли // Физика Земли. 2010. № 3. С. 66-78.
3 Белоусов В.В. Основные вопросы геотектоники. М.: Госгеолтехиздат, 1962. 608 с.
4 Гатинский Ю.Г, Рундквист Д.В., Тюпкин Ю.С. Блоковые структуры и кинематика Восточной и Центральной Азии по данным GPS // Геотектоника. Т. 5. Сент.-окт. 2005. С. 3-19.
5 Стеблов Г.М., Василенко Н.Ф., Прытков А.С., Фролов Д.И., Грекова Т.А. Динамика Курило-Камчатской зоны субдукции по данным GPS // Физика Земли. 2010. № 5. С. 77-82.
гоне и от глубокофокусных Г индукушских землетрясений. Отобраны землетрясения из района с координатами 36,3-36,7 N и 70,7-71,1 Е., т.е. из квадрата 40x40 км Афганской подзоны Гиндукушских землетрясений. Для землетрясений значения скоростей приводились к глубине 200 км с учетом локального годографа и к среднему гипоцентральному расстоянию. Индивидуальные значения скоростей сглаживались скользящим средним по пяти точкам с перекрытием на две точки. Затем каждый ряд аппроксимировался линейной и по-линоминальной зависимостями.
На рисунках 1-3 приведены временные ряды и спектрально-временные (СВАН) диаграммы соответственно для станций Южно-Сахалинск, Тикси и Обнинск. В таблице 1 приведены данные о районах расположения станций, периодах наблюдений, значения Ур, ДУр, ДУр/Ур по линейному тренду для всего интервала наблюдений, а также значения абсолютных и относительных погрешностей определения скоростей. При вычислении этих погрешностей учитывались ошибки в определении координат, глубины, времени в эпицентре землетрясений, ошибки измерения времени вступления продольной волны на сейсмограммах. Для Г индукушских землетрясений погрешности определения этих параметров лежат в следующих пределах: для времени в очаге землетрясений 0,3 ±0.05 с, для эпицентральных расстояний 3±1 км, для глубины 2-3 км, для времени вступления на аппаратуре СКМ -0,2 с. Для взрывов все эти параметры в 1,5-2 раза меньше.
Рис. 1. Временные ряды значений скорости пробега сейсмических волн от Гиндукушских землетрясений за 1965-2011 гг. (верхний график) и Семипалатинских взрывов за 1970-1989 гг. (нижний график) до станции Южно-Сахалинск и три СВАН диаграммы.
198
Рис. 2. Временные ряды значений скорости пробега сейсмических волн, зарегистрированных на станции Тикси, от Гиндукушских землетрясений за 1964-1993 годы (верхний график), и Семипалатинских взрывов за 1970- 1989 годы (нижний график) и СВАН диаграммы для ряда Гиндукушских землетрясений.
0.3
0.2
0.1
0.0 1970
1975 1980 1985
9,54 ■
9,52 -9,5 -9,48 ■
9,46 ■
9,44 ■
9,42...........................................................................
1970 1976 1982 1988 1994 2000 2006
Л =№,
С,ГС 8 =75
8:65
1972 1978 1984
.725Е-02 .636Е-02 .546Е-02 .456Е-02 .367Е-02 .277Е-02 .187Е-02 .975Е-03
.117Е-01 .ЮЗЕ-01 .881Е-02 .736Е-02 .590Е-02 .444Е-02 .299Е-02 .153Е-02
Рис. 3. Временные ряды .162Е-01 значений скорости пробега
142Е-01 г
сейсмических iio.ni от I ин-
.122Е-01
1П1Р П1 -^КУШСКИХ ЗеМДОЧрЯСОНИИ За 812Е-02 1^70-2011 гг. (верхний гра-.610Е-02 фик) и Се\ци 1а. 1а I инских .408Е-02 взрь 1нон за 1970-1989 п . .206Е-02 (нижний I рсн)'>11 к) до пан-пин Обнинск и СВАН диаграммы.
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ 4(14)/2013
Таблица 1
Линейный тренд и периоды вариации скорости, выделенные по СВАН-диаграммам.
Станция Источ- ник А°ср Период наблюдений, годы По линейному тренду Фоновые значения Периоды, годы по СВАН-диаграммам
Vp км/сек км/сек \^ % Абс. погрешность Отн. погрешность
ЬVp %
Обнинск ГЗ 29,6 1970-2007 9,472-9,484 0,012 0,13 0,012 0,13 ,0; 0 52 ^"2
Я 1970-2011 9,468-9,492 0,024 025
Взрывы 26,0 1970-1989 8,673-8,681 0,008 0,10
Тикси ГЗ 45,7 1964-1993 10,539-10,529 -0,01 0,10 0,004 0,05 1-1,5; 2-2,5; 3-4; 5; 10; 20
Взрывы 31,2 1970-1989 9,140-9,137 -0,003 0,03
Южно- Саха- линск ГЗ 52,2 1964-2007 10,935-10,945 0,01 0,10 0,004 0,05 0,9-1,0:2,-2,5: 4,5-5,0: 1012,5
1964-2011 10,930-10,950 0,02 0,18
Взрывы 41,3 1973-1989 9,830-9,862- 0,032 0,32
ГЗ - Гиндукушские землетрясения, Я - ядерные испытания
Анализ полученных данных (рис.1-3, табл. 1) позволяет сделать следующие выводы.
1.Сопоставление линейных трендов на всех станциях показывает, что наибольший положительный тренд, превышающий фоновые значения более чем в 4 раза, наблюдается для станции Южно-Сахалинск (рис. 1). Этот результат сопоставим с результатами, полученными для станций Пржевальск, Фрунзе, Бодайбо и др., расположенными в сейсмоактивных регионах Северного Тянь-Шаня и Байкальского рифта. Отметим также значительный рост скоростей на станции Южно-Сахалинск после 2003 г. от 10,92 до 10,97 км/с, превышающий фоновые значения в 10 раз. На фоне этого роста произошло крупное землетрясение в Японии 11 марта 2011 г. с магнитудой 9,0. Кроме того, в этот же период произошли 3 землетрясения на островах Хонсю и Хоккайдо с магнитудами, больше 7,0 (25.09.2003, 25.09.2004, 29.08.2009). Такой же рост скоростей наблюдается с 1979 по 1991-1992 гг.
Анализ каталогов сильных землетрясений показал, что в этот период на островах Японии произошли пять крупных землетрясений с магнитудами 7,2-7,8 (18.01.1981, 21.06.1983, 01.11.1989, 18.07.1992, 12.09.1993).
В то же время два сильных землетрясений на Сахалине произошли на фоне значительного уменьшения скоростей сейсмических волн. Это Нефтегорское землетрясение 27.05.1995 и Углегорское землетрясение в 04.08.2000 г. с магнитудами соответственно 7,5 и 7,1. Отметим также Монеронское землетрясение с эпицентром на шельфе в 40 км юго-западнее острова Сахалин (6.10.1971) произошло также на фоне уменьшения скоростей.
Таким образом, можно предположить, что землетрясения происходят на фоне изменения напряженного состояния пород литосферы, причем Японские землетрясения происходят на фоне роста скоростей, т.е. когда растут напряжения в слоях литосферы, а Сахалинские - на фоне уменьшения скоростей, когда происходит разрядка напряжений.
Сделанные предположения требуют дальнейшей проверки на материалах других сейсмических станций, расположенных на Японских островах, Курилах и на материке.
2. На станции Тикси (рис. 2) тренд скоростей на графиках от землетрясений и взрывов отрицательный, в 2 раза превышающий фоновые значения. К сожалению, данные позволили получить ряд скоростей только с 1964 до 1993 гг. Отрицательный тренд скоростей позволяет сделать вывод о превалировании процессов разряжения напряжений литосферы в транзитной зоне между Северо-Евразийской и СевероАмериканскими плитами в этот период. Отметим здесь слабую сейсмичность этого региона.
3. На станции Обнинск наблюдается слабоположительный тренд, незначительно превышающий фоновые значения в период с 1970 по 2007 гг. (таблица 1). При увеличении длины ряда до 2011 г. тренд увеличивается и превышает фоновые значения в 2 раза.
4. На фоне линейного тренда на всех станциях наблюдаются осцилляции с разными периодами, величины которых определены по СВАН диаграммам, построенным для каждой станции и приведенным в таблице 1. Для всех станций можно выделить с той или иной степенью четкости и продолжительности общие периоды: 1-1,5, 2-2,5, 4-5 и 10-12 лет. На станции Обнинск четко проявляется двадцатилетний период с максимальной амплитудой до 1990 г.
В работах В.В. Адушкинас соавт. 2009 и 2010 гг.1 было показано, что периоды 1,0; 1,4; 2,5; 5,0; 1012 присутствуют в спектрах рядов изменения скорости вращения Земли, геомагнитного индекса и чисел Вольфа, т.е. выделить главную влияющую силу невозможно.
1 Адушкин В.В., Гамбурцев А.Г., Гамбурцева Н.Г., Нестеркина М.А., Санина И.А., Сидоренков Н.С., Султанов Д .Д., Усольцева О.А. О возможном вкладе глобальных воздействий...; Адушкин В.В., Гамбурцева Н.Г., Нестеркина М.А., Санина И.А., Султанов Д.Д., Усольцева О.А. О связи вариаций времен пробега сейсмических волн..
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ 4(14)/2013
На рис. 4 приведены временные ряды среднемесячных значений чисел Вольфа, индекса геомагнитного поля Земли и скорости вращения Земли за 1965— 2010 гг. Наблюдается одна важная особенность, свойственная всем рядам, - значительное изменение параметров после 2005 г. Значения чисел Вольфа после 2007 г. возрастают до 250, чего не наблюдалось с 1965 г.; индекс геомагнитной активности наоборот уменьшился до 10 и менее, чего ранее также не наблюдалось; скорость вращения Земли в эти годы имеет максимальные значения.
Такое синхронное изменение солнечной активности, геомагнитного поля, скорости вращения Земли и сейсмических скоростей на станции Южно-Сахалинск и Обнинск вряд ли назвать случайным. Не исключено, что рост сейсмической активности можно связать с вариациями солнечной активности, геомагнитного поля Земли и скорости вращения Земли.
При анализе СВАН-диаграмм наблюдаются интервалы времени, когда происходит некоторая перестройка спектрально-временной картины, выражающаяся в одном случае в резком переходе от высоких частот к низким или наоборот (станции Тикси, Южно-Сахалинск), либо наблюдается внезапное прекращение или появление ритмов (станция Обнинск). Это интервалы 1970-1973, 1975-1977, 1989-1990 гг. В эти годы произошли сильнейшие землетрясения в 1970 г. в Перу, в 1976 г. в Китае и в 1990 г. в Иране. Возможно, что отмеченные особенности на СВАН-диаграммах, имеющие некоторое сходство с десинхронизацией, проявились как реакция на сильные глобальные воздействия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адушкин В.В., Ан В.А., Гамбурцева Н.Г., Дараган С.К., Люке Е.И., Овчинников В.М. Сейсмический мониторинг лито-
сферы при помощи ядерных взрывов // Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Т. 2: Циклическая динамика в природе и обществе. М.: Научный Мир, 1999. С. 145-150.
2. Адушкин В.В., Ан В.А., Каазик П.Б., Овчинников В.М. О динамических процессах во внутренних геосферах Земли по
временам пробега сейсмических волн // Докл. РАН. 2002. Т. 381. № 6. С. 822-824.
3. Адушкин В.В., Гамбурцев А.Г., Гамбурцева Н.Г., Нестеркина М.А., Санина И.А., Сидоренков Н.С., Султанов Д.Д.,
Усольцева О.А. О возможном вкладе глобальных воздействий в ритмическую структуру современных геодинами-ческих процессов // Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Т. 4. 2009.
4. Адушкин В.В., Гамбурцева Н.Г., Нестеркина М.А., Санина И.А., Султанов Д.Д., Усольцева О.А. О связи вариаций вре-
мен пробега сейсмических волн с изменениями скорости вращения Земли.// Физика Земли. 2010. № 3. С. 66-78
5. Адушкин В.В., Гамбурцева Н.Г.,Султанов Д.Д., Санина И.А. Нестеркина М.А., Усольцева О.А. О результатах долго-
временного просвечивания литосферы сейсмическими волнами сильных взрывов и землетрясений // Докл. РАН. Т. 418. № 1. 2007. С. 95-100.
6. Ан В.А., Люкэ Е.И. Циклические изменения параметров сейсмической волны Р на трассе Невада-Боровое // Физика
Земли. 1992. № 4. С. 20-31.
7. Ан В.А., Люкэ Е.И., Пасечник И.П. Вариации параметров сейсмических волн при просвечивании Земли на расстоянии
90° // Докл. АН СССР. 1985. Т. 285В. № 4. С. 836-840.
8. Белоусов В.В. Основные вопросы геотектоники. М.: Госгеолтехиздат 1962. 608 с.
9. Г амбурцева Н.Г., Люкэ Е.И., Николаевский В.Н., Орешин С.И., Пасечник И.П., Перегонцева В.Е., Рубинштейн Х.Д. Пе-
риодические вариации параметров сейсмических волн при просвечивании литосферы мощными взрывами // Докл. АН СССР. 1982. Т. 266. № 6. С. 1349-1353.
10. Гамбурцева Н.Г., Сабитова Т.М., Султанов Д.Д., Санина И.А., Кузнецов О.П., Волкова И.В., Усольцева О.А. Геодина-
мические процессы в сейсмоактивных районах Тянь-Шаня по данным мониторинга с использованием ядерных взрывов // Физика Земли, 2006. № 4, С. 3-13.
11. Гатинский Ю.Г, Рундквист Д.В., Тюпкин Ю.С. Блоковые структуры и кинематика Восточной и Центральной Азии по
данным GPS // Геотектоника. Т. 5. Сент.-окт. 2005. С. 3-19.
12. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. М.: Наука, Физматлит 2002, 384 с.
13. Стеблов Г.М., Василенко Н.Ф., Прытков А.С., Фролов Д.И., Грекова Т.А. Динамика Курило-Камчатской зоны субдук-
ции по данным GPS // Физика Земли. 2010. № 5. С. 77-82.
Цитирование по ГОСТ Р 7.0.11—2011:
Гамбурцева, Н. Г., Гамбурцев, А. Г., Сидоренков, Н. С., Усольцева, О. А. Анализ и сопоставление современных геодинамических процессов на платформах и в зонах коллизии по данным сейсмического просвечивания литосферы / Н.Г. Г амбурцева, А.Г. Г амбурцев, Н.С. Сидоренков, О.А. Усольцева // Пространство и Время. — 2013. — № 4(14). — С. 195—200.
Рис. 4. Временные ряды среднемесячных значений чисел Вольфа, индекса геомагнитного поля Земли и скорости вращения Земли за 1965-2010 гг.
