CC BY
9УДК 550.34 (571.53/55) 1Джумабаева А. Б., 1Байкулов С.,
1Абдрахматов К.Е., 2М. Патыняк, 3А. Ландграф, 4Р. Эроусмит, 2М. Стрекер
1Институт сейсмологии НАН КР, Бишкек, Кыргызстан.
2Институт геолого-геофизических исследований Потсдамского университета, Потсдам, Германия.
3NAGRA, Веттинген, Швейцария, 4 Школа исследования Земли и космоса, Университет штата Аризона, США.
НОВЫЕ ДАННЫЕ ПО ПАЛЕОСЕЙСМОЛОГИИ НА ТЕРРИТОРИИ
АЛАЙСКОЙ ВПАДИНЫ (ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ТЯНЬ-ШАНЬ)
Аннотация. Новые результаты траншейных исследований, пройденные через Центральный сегмент Памирского фронтального надвига (PFT) в южной части Алайской долины, выявили пять разрывообразующих палеоземлетрясений, произошедших в течение последних ~ 7 тыс. лет, и вероятностью шестого события последних 16 тыс. лет. Три из этих событий представляют собой крупные землетрясения с Mw > 7.4, которые, вероятно, разорвали всю длину сегмента - длиной до 35 км или и больше. Средняя скорость смещения крыльев разлома составляет 4.7 ± 1.7 мм / год за последние 7 тыс. лет.
Ключевые слова: метод тренчинга, палеоземлетрясения, интервалы повторения, скорости смещения, активные разломы.
АЛАЙ ОЙДУЦУНДАГЫ ПАЛЕОЗЕЙСМОЛОГИЯ БОЮНЧА ЖАЦЫ МААЛЫМАТТАР (ТYШТYК-БАТЫШ ТЯН-ШАНЬ)
Кыскача мазмуну: Палеосейсмологиялык «тренчинг» ыкмасы боюнча изилдeeлeрдYн негизинде, Алай eрeeнYHYн тYштYк тарабындагы Заалай тоо этектерин чектеген Памир фронталдык кыймылдуу жарацкада, акыркы 7 миц жыл ичинде 5 же болбосо акыркы 16 миц жылдан бери 6 жолу катуу силкинуу болгон. Анын ичинен 3 палеожер титирeeнун магнитудасы Mw > 7.4 жетип, узундугу ~ 35 км же андан да узун жарацканы пайда кылаары божомолдонот жана жарацканын жылыш ылдамдыгы акыркы 7 миц жыл ичинде жылына 4.7 ± 1.7 мм чейин жетээри аныкталат.
Негизги сездер: тренчинг ыкмасы, палеожер титирeeлeр, кайталануу аралыгы, жылыш ылдамдыгы, кыймылдуу жаракалар.
NEW DATA ON PALEOSEISMOLOGY IN THE TERRITORY ALAY DEPRESSION (SOUTHWESTERN TIEN-SHAN)
Abstract. New results of a trenching study carried out through the Pamir Frontal Thrust (PFT) of the Trans-Alay Range the northern part of the Alay Valley showed five rupture-forming paleo-earthquakes during the last ~ 7 thousand years, and the probability of six events of the last 16 thousand years. At least three of these events are large earthquakes with Mw > 7.4, which probably ripped the entire segment up to 35 km long or more. The average rate of horizontal motion for the cPFT of 4.7 ± 1.7 mm/yr during the past ~7 kyr.
Keywords: trenching, paleoearthquakes, recurrence intervals, displacement rates, active
faults.
Алайская межгорная впадина ограничивает северную границу Памирского орогена, расположенного на стыке Индостанской и Евроазиатской плит и отличается высокой сейсмичностью (рис.1).
Современный высокий уровень сейсмичности района исследования сосредоточен в узкой полосе шириной 15 км - 25 км к северу от Главного Памирского надвига (МРТ), с глубиной очагов землетрясений в пределах до 25 км, механизмы очагов которых указывают на правосторонний взбросо-сдвиг с преобладанием надвига. В Алайской впадине и прилегающих территориях за последнее время произошел ряд сильных сейсмических событий М > 6.5: Маркансуйское - М=7.3, 1974 г.; Дараут-Курганское -М=6.8 ,1978 г.; Алайское - М=6.1, 1983 г.; Нуринское - М= 6.7, 2008 г.; Кызыл-Артское -М=6.5, 2016 г.; Карамыкское - М = 6.5, 2017 г. (рисунок 2). Они отражают не только сейсмическую опасность данного региона, но и сложность проявления сильных землетрясений, как в пределах одного разлома, так и между соседними разломами. Такая геодинамическая обстановка региона привлекает внимание многих исследователей всего мира, что подтверждается публикациями последних лет с новыми количественными данными [1-11].
Рисунок 1. Схема расположение Алайской впадины между областями горообразования Памира (на юге) и Тянь-Шань (на севере). Основные системы разломов Памирского орогена (чёрные линии). Красный прямоугольник - область исследования [1].
Рисунок 2. Карта эпицентров землетрясений на территории Алайской впадины и её горного обрамления в зоне разломов: Памирского фронтального надвига (PFT) и Главного Памирского надвига (MPT) [13]. Отмечены сильные землетрясения М > 6.5 за последние 100 лет c указанием года и магнитуды. Красные кружочки - скорость сокращения земной коры ~ 10-15 мм / по данным геодезических измерений GPS [7].
В 2017 - 2018 гг. нами совместно с немецкими учёными под руководством Манфреда Штрекера (проект CaTeNA, Германия) были проведены палеосейсмологические исследования с использованием метода «тренчинга» в зоне разлома Памирского фронтального надвига (PFT). Главной задачей являлось выделение активных сегментов разлома и определение их параметров, а также оценка магнитуды и повторяемости сильных землетрясений в прошлом. Разлом (PFT), взбросо-надвигового типа, ограничивает южную границу Алайской впадины, протягиваясь вдоль северных предгорий Заалайского хребта до 65 км. По геолого-геоморфологическим признакам разлома делиться на 3 сегмента: западный, центральный и восточный [1, 4, 12-14].
Для детального исследования был выбран Центральный сегмент разлома протяжённостью около 35 км. Разлом отчётливо выражен в виде уступа высотой до 15 м и нарушает поверхность позднеплейстоценовых аллювиально-пролювиальных конусов выноса рек Ачик-Суу, Ылай-Суу, Коман-Суу и Ташкунгей. Морфология уступа в некоторых местах имеет ступенчатый рельеф (на участках Ачык Суу и Ташкунгей). Поверхность подножий падает на север под углом до 4-х градусов и частично покрыта моренными и оползневыми отложениями (между рек Комансу и Ташкунгей). Вдоль приразломного уступа были проложены пять траншей (на участках Ачик-Суу-Т1 -2, Ылай-Суу-Т3, Комансу-Т4 и Ташкунгей-Т5), расстояния между которыми составляет около 1 км, 1 км, 12 км и 10 км, соответственно (рисунок 3) [12-14].
280000 290000 300000 310000
Рисунок 3. Карта разрывов исследуемого участка (12-метровая ЦМР, полученное по спутниковому изображению TanDEM-X) [14]. Чёрная линия со штрихами - Центральный сегмент Памирского фронтального надвига (РБТ). Чёрные короткие полосы указывают место расположения траншей на участках; - Ачик-Суу-Т1-2, Ылай -Суу-Т3, Комансу-Т4 и Ташкунгей-Т5.
Анализ продольных профилей проведённых вкрест приразломного уступа Памирского фронтального надвига (PFT) показывает изменение высоты уступа от 5 м до 16 м и падение уклона поверхности до 2 градуса. Средняя величина вертикального смещения составляет 9.2 ± 0.3 м. На рисунке 4 приведены примеры профилей Р5 - участок
Ачик-Суу, и Р16 - участок Ташкунгей, где вертикальное смещение составляет соответственно 5.2 ± 0.7 и 6.4 ± 0.5 м.
Рисунок 4. Схемы профилей, построенные поперек ступенчатого уступа и фотографии траншеи на участках: Ь - Ачык-Суу Т2, е- Ташкунгей Т5 [14] (фото Патыняк М.).
Стратиграфические единицы, обнажённые на всех стенках траншей, свидетельствуют о подвижках разлома. В разрезах чётко выделяются три слоя по стратиграфической последовательности (снизу-вверх): 1 - более древняя нижняя толща (1а, 1Ь) представлена гравийно-галечными накоплениями с грубопесчанистым заполнителем (1-3м); образцы, отобранные из этого слоя в 3-х траншеях (Т2, Т3 и Т5) показали средний абсолютный возраст 20.3 ± 0.6 тыс. лет по инфракрасно-люминесцентному методу (ГО^Ц). Второй слой - плотный тонкозернистый песчанистый материал, толщиной 10-50 см, абсолютный возраст 7.3 ± 0.1 тыс. лет - определён по 14С и ГО^Ц образцам, полученный в траншее (Т2) и из 2-х шурфов, пройденных в поднятом крыле приразломного уступа в долинах рек Сынаржар и Ташкунгей. Третий слой -верхний почвенный с богатой органикой- горизонт А (0-30 см). Следует отметить, что радиоуглеродные возрасты, полученные по образцам из этих слоёв, были калибрированы и моделированы в программе ОхСа1 у.4.44 с использованием кривых 1Пса113 [15.16].
Проявленные в стенках траншей разрывные структуры представлены двумя главными плоскостями смещения - между висячим и лежачим крыльями, которые падают под углом 15 - 20° к югу. Их ширина составляют примерно 5 - 20 см и они хорошо фиксируется по ориентированным обломкам пород по падению разрыва. Лежачее крылья разлома представлены снесенными с уступа коллювиальными отложениями и залегающими между ними материалами размыва верхних слоёв в поднятом крыле.
Единовременное вертикальное смещение при каждом событии во всех стенках траншей варьируется в пределах от 0.5 м до 5 м. Общее смещение по падению разрыва
оценивается в 4.8 ± 0.7м. Скорость смещения крыльев разлома в позднеплейстоценовое время (14.3 ± 2.2 тыс. лет) составляет 0.7 ± 0.2 мм/год, палеомагнитуды палеоземлетрясений этого времени варьируются между М > 6.7-7.4 [14].
На примере траншеи Т5, пройденной в долине реки Ташкунгей, приводится детальная документации западной стенки (рисунок 5) [14].
Рисунок 5. Документация западной стенки траншеи Т5 участка Ташкунгей (место расположения траншеи Т5 указано на рисунке 3) [14]. В стенке траншеи картируются две плоскости разрыва (Р1, F2) падающие под углами 21 и 17 градусов к югу, по которым деформированные аллювиальные галечники мощностью около 3 м (1, 1Ь) надвинуты на серию тонкозернистых коллювиальных отложений (2). В результате трёх подвижек (4.6 ± 0.7, 3.5 ± 0.5 и 1.8 ± 0.3 м) по разлому образовались три коллювиальных клина ^1, С2, С3) и (Сa, СЬ, на лежачем крыле разрыва. Образцы на датировании (радиоуглеродное 14 С, инфракрасной стимуляции люминесценции IRSL), отобранные из коллювиальных клиньев и погребенной почвы (PS), представляют комбинированные возрасты не менее трёх событий: 5.4 ± 0.8, 3.7 ± 0.4 и 1.5 ± 0.1 тыс. лет с повторяемостью между событий 1.7 ± 0.9 и 2.2 ± 0.4 тыс. лет. Геометрия разрыва и анализ абсолютных возрастов позволяет предполагать, что смещение по двум плоскостям разлома происходило одновременно. Общее вертикальное смещение составляет 5.8 ± 0.6 м.
На основе анализе абсолютных возрастов и стратиграфических признаков, полученных при траншейных исследованиях, построены возрастные модели времени и повторяемости палеоземлетрясений, используя разработанные байесовские методы в программе OxCal v.4.4, которые успешно применены в работах [17-20]. С помощью метода проанализированы интервалы времени между палеоземлетрясениями, которые определяют функции плотности вероятности времени каждого события. Сопоставляя интервалы времени события каждого участка друг с другом и учитывая перекрытия
распределения функции плотности вероятности, а также разницу величин смещения, построена расчётная возрастная модель на всю длину сегмента за длительное время. Моделирование определило последовательность 5 и\или, возможно, 6 палеоземлетрясений, произошедших на Центральном сегменте около 0.8 ± 0.2, 1.5 ± 0.1, 2.4 ± 0.2, 3.4 ± 0.2, 5.3 ± 1.1 и 14.3 ± 2.2 тыс. лет назад. С помощью модели Монте-Карло был определён средний интервал повторяемости 1.9 тыс. лет со стандартным отклонением в 2 сигмы. Метод определения повторяемости включает, главным образом, измеренные промежутки времени между событиями (таблица 1).
Таблица 1 . Моделированный возраст палеоземлетрясений, выявленных по Центральному сегменту Памирского фронтального надвига (по радиоуглеродным -14 С и инфракрасной стимуляции люминесценции - IRSL).
Расположения траншеи (Т1_Т5) с запада на Рассчёт- Интервал
восток вдоль разлома (PFT) и возраст ный повторяемостил
последовательных палеоземлетрясений (тыс. возраст (лет)
лет, с разбросам 2g)
Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 № палео зем Возраст (тыс.лет, с разбросам 2g) Частичное разрыво-образование Полное разрыво-образование
08 ± 0.4 0.8 ± 0.2 - - - Е1 0.8 ± 0.2 0.7 ± 0.2 -
1.6 ± 0.1 1.2 ± 0.1 1.7 ± 0.7 1.5±0.1 1.5±0.1 Е2 1.5 ± 0.1 0.9 ± 0.2 2.0 ± 0.2
2.4 ± 0.5 - - 2.4±0.2 - Е3 2.4 ± 0.2 1.0 ± 03 -
- 3.4 ± 0.4 - 3.2±0.3 3.7±0.4 Е4 3.4 ± 0.2 1.8 ± 1.1 1.8 ± 1.1
4.8 ± 1.0 4.7 ± 1.0 6.1 ± 0.6 - 5.6±0.8 Е5 5.3 ± 1.1 9.0 ± 2.4 -
14.2±2.6 14.3±2.9 13.9±2.9 - - Е6 14.3 ±2.2
* наиболее вероятной возраст палеоземлетрясений по методу Байеса, вычисленный в программе OxCal v.4.4
л - интервал повторяемости сильных палеоземлетрясений показывает измеренные промежутки времени между событиями
Для оценки сейсмического потенциала центрального сегмента Памирского фронтального надвига (PFT) были вычислены моментные магнитуды, которые рассчитываются по сейсмическому моменту (Mo) с использованием соотношения, предложенного Хэнксом и Канамори [21]. Сейсмический момент определяется, как M0 = ц Dave A, (1)
где |i=3 1010 N/m2- средняя сдвиговая жёсткость пород в зоне разлома; Dave -средняя величина смещения (м); A - площадь очагового разрыва (м2), определяется по протяжённости разрыва, умноженной на оценку ширину области вспарывания по падению плоскости разрыва. Для определения ширины разлома использованы средний угол падения разлома PFT 30° и глубина 15 км (гипоцентр сильных зарегистрированных землетрясений); для расчёта сейсмического момента - средняя величина смещения по плоскости разрыва Dave = 2.5 ± 0.5 м предпоследнего события (Е2), которое зафиксировано во всех траншеях.
С помощью уравнении (1) рассчитаны моментные магнитуды: Mw =7.3 - для разрыва длиной ~35 км; Mw = 7.3 - для разрыва длиной ~ 65 км; Mw = 7.4 - для разрыва длиной > 65 км.
Таким образом, учитывая полное разрывообразование сегмента длиной > 35 км во время трёх палеособытий (1.5 ±0.1 тыс. лет (E2), 3.4 ± 0.2 тыс. лет (E4) и 5.3 ± 1.1 тыс. лет (E5)), нами вычислен средний интервал повторяемости землетрясений по Памирскому фронтальному надвигу (PFT) - 1.9 тыс. лет с магнитудой Mw > 7.0-7.4.
Новые результаты палеосейсмологического исследования по пяти траншеям через Центральный сегмент Памирского фронтального надвига (PFT) показали наличие пяти разрывообразующих палеоземлетрясениях в течении последних ~ 7 тыс. лет и, возможно, шестого события последних 16 тыс. лет. По крайней мере три из этих событий представляют собой сильные землетрясения с Mw > 7.0-7,4, которые, вероятно, привели к разрыву всего сегмента (~ 35 км) и, возможно, даже пересекли границы сегмента (> 65 км). Мы оцениваем среднюю скорость смещения крыльев разлома 4.7 ±1.7 мм / год (что эквивалентно скорости горизонтального укорочения на 4.1 ± 1.5 мм / год) за последние ~ 7 тыс. лет, а в позднеплейстоценовое время (14.3 ± 2.2 тыс. лет) она составляет 0.7 ± 0.2 мм/год.
Литература
1. Coutand I., Strecker M.R., Arrowsmith J.R., Hilley G., Thiede R.C., Korjenkov A., Omuraliev M. Late Cenozoic tectonic development of the intramontane Alai Valley (Pamir- Tian Shan region, Central Asia). Tectonics, 2002. vol.21, No.6, 1053.
2. Strecker, M. R., Frisch, W., Hamburger, M. W., Ratschbacher, L., Semiletkin, S., Zamoruyev, A., & Sturchio, N. (1995). Quaternary deformation in the eastern Pamirs, Tadzhikistan and Kyrgyzstan. Tectonics, 14(5), 1061-1079. https://doi.org/10.1029/95tc00927.
3. Strecker, M. R., Hilley, G. E., Arrowsmith, J. R., & Coutand, I. (2003). Differential structural and geomorphic mountain-front evolution in an active continental collision zone: The northwest Pamir, southern Kyrgyzstan. Geological Society of America Bulletin, 115(2), 166-181. https://doi.org/10.1130/0016-7606(2003)115<0166:dsagmf>2.0.co;2.
4. Arrowsmith, J. R., & Strecker, M. R. (1999). Seismotectonic range-front segmentation and mountain-belt growth in the Pamir-Alai region, Kyrgyzstan (India-Eurasia collision zone). Geological Society of America Bulletin, 111(11), 1665-1683. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1999)111<1665:srfsam>2.3.co;2
5. Teshebaeva, K., Sudhaus, H., Echtler, H., Schurr, B., & Roessner, S. (2014). Strain partitioning at the eastern Pamir-Alai revealed through SAR data analysis of the 2008 Nura earthquake. Geophysical Journal International, 198(2), 760-774. https://doi.org/10.1093/gji/ggu158
6. A. Zubovich, X. Wang, Y. Scherba, G. Schelochkov, R. Reilinger, C. Reigber, et al. GPS velocity field for the Tien Shan and surrounding regions. //Tectonics, 29 (2010), p. TC6014, 10.1029/2010TC002772.
7. Zubovich, A. V., Schöne, T., Metzger, S., Mosienko, O., Mukhamediev, S., Sharshebaev, A., & Zech, C. (2016). Tectonic interaction between the Pamir and Tien Shan observed by GPS. Tectonics, 35(2), 283-292. https://doi.org/10.1002/2015tc004055.
8. Metzger, S., Schurr, B., Ratschbacher, L., Sudhaus, H., Kufner, S.-K., Schöne, T., Zhang, Y., Perry, M., & Bendick, R. (2017). The 2015 Mw7. 2 Sarez strike-slip earthquake in the Pamir interior: Response to the underthrusting of India's western promontory. Tectonics, 36(11), 2407-2421.
9. Омуралиева А., Омуралиев М. «Динамика сейсмических процессов на сопряжении областей горообразования Памира и Тянь-Шаня: Заалайского поднятия и Алайской впадины» / Вестник Института сейсмологии НАН КР №1(11), 2018.
10. Гребенникова В.В., Фортуна А.Б. «Сейсмичность Заалайского хребта (Памиро-Алайская зона) Вестник Института сейсмологии НАН КР №1(11), 2018.
11. Никонов А.А., Ваков А.В., Веселов И.А. Сейсмотектоника и землетрясения зоны сближения Памира и Тянь-Шаня. М.: Наука, 1983, 240 с.
12. Patyniak M, Landgraf A, J. R. Arrowsmith, A. Dzhumabaeva, K. Abdrakhmatov, and M. Strecker. Unraveling the Quaternary deformation history of the North Pamir collision zone: New paleoseismological data from the Pamir Frontal Thrust (39.5°N, 72.5°E), Kyrgyzstan, Central Asia.) Geophysical Research Abstracts Vol. 20, EGU2018-18736, 2018 EGU General Assembly 2018 © Author(s) 2018. CC Attribution 4.0 license.
13. Patyniak M., Landgraf A., Dzhumabaeva A., Williams A. M, S. Baikulov, J. R. Arrowsmith, K. Abdrakhmatov, and M. R. Strecker. Seismic Behavior Along a Fault Segment in an Active Continental Collision Zone: New Paleoseismic and Structural Data of the Pamir Frontal Thrust in the Alai Valley, Kyrgyzstan, Central Asia. 1EGU2020-4599 https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-4599 EGU General Assembly 2020 © Author(s) 2020.
14. Patyniak, M., Landgraf, A., Dzhumabaeva, A., Baikulov, S., Williams, A. M., Weiss, J. R., et al. (2021). The Pamir Frontal Thrust fault: Holocene full-segment ruptures and implications for complex segment interactions in a continental collision zone. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2021JB022405. https://doi. org/10.1029/2021JB02.
15. Reimer, P. J., E. Bard, A. Bayliss, J. W. Beck, P. G. Blackwell, C. Bronk Ramsey, C. E. Buck, H. Cheng, R. L. Edwards, M. Friedrich, et al. (2013). IntCal13 and Marine13 radiocarbon age calibration curves 0-50,000 yearscal BP, Radiocarbon, No. 4, 1869-1887.
16. Reimer, P. J., Austin, W. E., Bard, E., Bayliss, A., Blackwell, P. G., Ramsey, C. B., Butzin, M., Cheng, H., Edwards, R. L., & Friedrich, M. (2020). The IntCal20 Northern Hemisphere radiocarbon age calibration curve (0-55 cal kBP). Radiocarbon, 62(4), 725-757. https://doi.org/10.1017/rdc.2020.41
17. DuRoss, C. B., Personius, S. F., Crone, A. J., Olig, S. S., & Lund, W. R. (2011). Integration of paleoseismic data from multiple sites to develop an objective earthquake chronology: Application to the Weber segment of the Wasatch fault zone, Utah. Bulletin of the Seismological Society of America, 101(6), 2765-2781. https://doi.org/10.1785/0120110102
18. Biasi, G. P., & Weldon, R. J. (2009). San Andreas Fault Rupture Scenarios from Multiple Paleoseismic Records: Stringing Pearls. Bulletin of the Seismological Society of America, 99(2A), 471-498. https://doi.org/10.1785/0120080287
19. Landgraf, A., A. Dzhumabaeva, K. E. Abdrakhmatov, M. R. Strecker, E. A. Macaulay, J.R. Arrowsmith, H. Sudhaus, F. Preusser, G. Rugel, and S. Merchel (2016). Repeated large-magnitude earthquakes in a tectonically active, low-strain continental interior: The northern Tien Shan, Kyrgyzstan, J. Geophys. Res. Vol. 121, No. 5, pp. 3888-3910. Doi:10.1002/2015JB012714.
20. Patyniak, A. Landgraf, A. Dzhumabaeva, K. E. Abdrakhmatov, S. Rosenwinkel, O. Korup, F. Preusser, J. Fohlmeister, JR. Arrowsmith, M. R. Strecker. Paleoseismic Record of Three Holocene Earthquakes Rupturing the Issyk-Ata Fault near Bishkek, North Kyrgyzstan / Bulletin of the Seismological Society of America (2017) 107 (6): 2721-2737. doi:https://doi.org/10.1785/0120170083.
21. Hanks, T. C., & Kanamori, H. (1979). A moment magnitude scale. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 84(B5), 2348-2350. https://doi.org/10.1029/jb084ib05p02348
22. Wells, D. L., & Coppersmith, K. J. (1994). New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. Bulletin of the Seismological Society of America, 84(4), 974-1002.
Рецензент: к. г.-мин. наук, М. О. Омуралиев
