CC BY
52
УДК 550.312
Г.П. Арнаутов, Е.Н. Калиш, Ю.Ф. Стусь, М.Г. Смирнов ИАиЭ СО РАН В.Ю. Тимофеев
ИНГГ им. А.А. Трофимука СО РАН, Новосибирск
ПРЕЦИЗИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ВАРИАЦИЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ, НАКЛОНОВ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА СЕЙСМОСТАНЦИИ «ТАЛАЯ» В БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЕ
G.P. Arnautov, E.N. Kalish, Yu.F. Stus, M.G. Smirnov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS (SIBERIAN BRANCH OF RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES)
3 Ak. KoptyugaPr., Novosibirsk, 630090, Russian Federation V.Yu. Timofeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (SIBERIAN BRANCHOF RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES)
3 Ak. KoptyugaPr., Novosibirsk, 630090, Russian Federation
SENSITIVE MONITORING OF VARIATIONS GRAVITY, TILTS AND STRAINS OF EARTH SURFACE AT THE SEISMIC STATION «TALAJA» IN BAIKAL RIFT ZONE
The investigation carried out at the seismic station «Talaja» is unique at both the quantity of controllable geophysical parameters (it have been measuring variations of gravity, strains and tilts of earth surface) and observing time (about fifteen year). Also during analysis of measuring results data of geodynamic investigation obtained with help of global satellite position systems of GPS type are considered. Observational accuracy of equipment in this investigation ranks one
of leading position in the world. Monitoring of geodynamic parameter variations was carried out
8 2
by absolute gravimeters with error less than 2 |j.Gal = 2-10' m/s , quartz tiltmeters, quartz and invar rod deformographs with 1,5-9 meters base and error less than 10-9-10-10.
The results of analysis of the influence of different factors which may be reason of the gravity fluctuation Ag (the most probable of them appears the fluctuation of height of observation point) are cited. Relation between Ag variations and the fluctuation of volume strain calculated from the results of deformographical measurements on the point «Talaja» is settled. Mean value of the volume strain was constant from 1991 to 1996 years (with error ± 1-10-6). The volume strain increased by 2-10-6 and remains up at present. Also the correlation of Ag variations with the tilt of earth surface on the observation point is settled. It is possible the relation between Ag variations and preparation and consequences of strong earthquakes in Baikal rift zone.
Исследования, проводимые на сейсмостанции «Талая», уникальны как по числу контролируемых геофизических параметров (измеряются вариации силы тяжести, деформаций и наклонов земной поверхности), так и по длительности наблюдений (около 15 лет). При анализе результатов измерений учитываются также данные геодинамических исследований, полученные с помощью глобальных спутниковых позиционных систем типа GPS. По точности измерений используемая в этих исследованиях аппаратура занимает одно из лидирующих положений в мире.
Гравиметры, разработанные авторами, основаны на баллистическом методе измерения ускорения свободного падения с использованием эталонов пути и
времени. Высокая точность измерений (погрешность менее 2 микрогал = 2-10-м/с2) подтверждена международными метрологическими сравнениями лучших в мире абсолютных гравиметров [1]. Для регистрации вариаций наклона земной поверхности использовались кварцевые наклономеры, поверка которых проводилась в Брюсселе и Люксембурге [2].
Деформации измерялись кварцевыми и инварными штанговыми деформографами с базами от 1,5 до 9 метров. Приборы были установлены в специальной камере штольни сейсмостанции «Талая», где постоянство температуры обеспечивалось естественным пассивным термостатированием. Тестирование штанговых приборов осуществлялось лазерными деформографами. Показано, что погрешность измерения деформаций не превышает уровень 10-9^10-1°.
Результаты измерений вариаций силы тяжести Ag на пункте «Талая» приведены на рис. 1.
Здесь же даны результаты контрольных измерений Ag на гравиметрическом пункте в г. Иркутске, относящемся к платформенной области. За нулевой отсчет вариаций Ag принят результат первого измерения на этих пунктах. Для исключения влияния приливных вариаций силы тяжести на результаты измерений вносились теоретически рассчитанные на каждый момент измерений приливные поправки (они рассчитывались по всемирно принятой программе ETERNA 3.0). Исключалось также влияние притяжения изменяющихся в зависимости от атмосферного давления воздушных масс Pa. В соответствии с рекомендациями Международной гравиметрической комиссии эта
1П 9
поправка равна AgPa = 0,30 • 10- (P - Pn) (м/с ), где Pn - нормальное атмосферное давление на высоте HM пункта измерения над уровнем моря Pn = = 101325 • (1 - 0,0065 • Hm/288,15)5,2559 Па.
По этим же рекомендациям в результат измерений вносилась поправка, учитывающая положение полюса Земли
AgN = 1,164 • 108 ®2a 2si^ • cos ф (X • cosX - YsinX), (1)
где ю = 7292115 • 10-11 (рад/с) - угловая скорость вращения Земли, а = 6378136 м - средний радиус Земли, ф и X - широта и долгота пункта наблюдений, X и Y - координаты полюса Земли в момент измерений (берутся из справочных данных, регулярно публикуемых Международной службой слежения за вращением Земли). Эта поправка в различные годы наблюдений достигала 10 мкГал, и с точностью до 0,5 мкГал совпадала с результатами измерений Ag на пункте «Талая».
На рис. 1 приведены результаты первых лет наблюдений (1992-1995 гг.), когда значение Ag было преимущественно стабильно. Следует отметить, что в период первых 4 лет измерений вариации Ag не превышали погрешность измерений. Вариации Ag в последующие годы имели локальный характер, так как на контрольном пункте в платформенной области (г. Иркутск) измеренные вариации Ag не превышали погрешность измерений.
В результате анализа влияния различных факторов, которые могли обусловить такие изменения Ag, мы считаем наиболее вероятным влияние
изменения высоты пункта наблюдений. Основанием для этого предположения является зависимость значения ускорения силы тяжести от высоты пункта наблюдений. Если принять, что вертикальный градиент силы тяжести равен у ~ 309 мкГал/м, то при изменении высоты пункта наблюдения на величину h = 1 см, получим значение = у h ~ 3 мкГал.
Д§,мкГал
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
Дата
Рис. 1. Вариации ускорения силы тяжести в Иркутской области: 1 - пункт «Талая»; 2 - пункт «Иркутск»; 3 - землетрясение 29.06.1995(М = 5,5; Ь = 50 км от пункта «Талая»); 4 - землетрясение 25.02.1999(М = 5,9; Ь = 80 км от
пункта «Талая»).
Таким образом, изменение высоты пункта наблюдений на 1 см вызывает изменение Д§, не превосходящее погрешность измерений лазерным гравиметром. С учетом этого и по результатам измерений Дg можно заключить, что в 1992-1995 гг., когда вариации Д§ не превышали ±0,5 мкГал, высота пункта наблюдений была стабильна в пределах ±1,5 мм. В 1996-1997 гг. произошло снижение уровня h точки наблюдений на 4 см (изменение Д§ при этом составило 12 мкГал). С 1998-го года по 2000-й год произошло повышение Ь на 3 см, сопровождаясь колебаниями в виде переходного процесса с размахом до 1,5 см. С 2005 г. вновь наблюдаются резкие (до 3 см в год) изменения Ь. Контрольные измерения Д§ в платформенной области (в г. Иркутске и в Новосибирской области) не зарегистрировали вариаций Д§, превышающих погрешность измерений, что свидетельствует о локальном характере вариаций Д§ на пункте «Талая». При анализе причин зарегистрированных на пункте «Талая» вариаций Д§ были учтены результаты измерений деформаций и наклонов земной поверхности вблизи этого пункта (удаление не более 50 м), проведённых сотрудниками Института
нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН и Института лазерной физики СО РАН (рис. 2).
Установлена связь изменений объёмной деформации на пункте «Талая», вычисленной по результатам деформографических измерений В.Ю. Тимофеевым (ИНГГ СО РАН), и вариаций А §. С 1991 по 1996 гг. среднее значение объёмной деформации было постоянным (с погрешностью ±Ы0"6), в 1997 г. объёмная деформация увеличилась на 240"6 и сохраняется (с погрешностью не более ±Ы0"6) до настоящего времени (рис. 3).
Векторная диаграмма наклона с марта 1985 по ноябрь 2007г.
06.01.89
Рис. 2. Векторная диаграмма хода наклона в секундах дуги (наклон на север -вверх и на восток - вправо) с марта 1985 года по ноябрь 2007 года.Стрелками
показаны моменты землетрясений
1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Рис. 3. Изменение объемной деформации, станция «Талая» - осредненные наблюденные значения по периодам с 1989 г. по 2007 год.Стрелками показаны моменты землетрясений 1991-2002 гг. (ряд 1)
Вариации Ag, приведённые на рис. 1, соответствуют изменениям объёмной деформации. Имеется также корреляция вариаций Ag с наклоном земной поверхности в точке наблюдений: в 1996 году произошло резкое изменение вектора наклона.
Корреляция изменений Ag и уровня подземных вод на данном пункте не обнаружена.
Возможна связь вариаций Ag с подготовкой и последствиями землетрясений 29.06.95 г. (магнитуда М = 5,5, расстояние до эпицентра L = 50 км) и 25.02.99 г. (М = 5,9, L = 80 км).
По данным сейсмологических исследований Института земной коры СО РАН (г. Иркутск) и Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедиции Геофизической службы СО РАН, механизм очага землетрясения 29.06.95 г. характеризовался отсутствием вертикальной компоненты смещения земной коры (главной компонентой было сжатие земной коры), а для землетрясения рифтового типа 25.02.99 г. (главная компонента -растяжение) вертикальные смещения были основными. Это и отразилось во временных вариациях поля силы тяжести на пункте «Талая».
Результаты спутниковых наблюдений [3], проведенных в 1994-2004 гг. Институтом земной коры СО РАН, имеют сравнительно большую погрешность измерений. Поэтому оценить скорость горизонтальных движений пунктов GPS наблюдений можно только по среднему значению за 10 лет. Для пункта «Талая» скорость относительно станции Иркутск составила ~ (2,42±0,19) мм/год. Погрешность измерения вертикальных движений методами GPS-геодезии еще выше, в связи с чем эти скорости можно оценить лишь качественно (по направлению движения). Поскольку преобладающим для пункта «Талая» было растяжение земной коры, то можно считать, что оно сопровождалось понижением уровня земной коры. Это соответствует результатам измерения вариаций Ag в этот период.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Арнаутов Г.П., Калиш Е.Н., Смирнов М.Г., Стусь Ю.Ф., Тарасюк В.Г. Лазерный баллистический гравиметр ГАБЛ-М и результаты наблюдений силы тяжести. / Автометрия. 1994. № 3. С. 3-11.
2. Тимофеев В.Ю., Сарычева Ю.К., Панин С.Ф., Анисимова Л.В., Гриднев Д.Г., Масальский О.К. Исследование наклонов и деформаций земной поверхности в БРЗ. / Геология и геофизика. 1994. № 3, C. 119-129.
3. Лухнев А.В., Саньков В.А., Мирошниченко А.И., Кале Э., Ашурков С.В. Современные тектонические деформации Центральной Азии по данным измерений методом GPS-геодезии за 1994-2004 гг. / В сб.: Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии. Вып. 2. Институт земной коры СО РАН. Иркутск, 2005. C. 28-37.
© Г.П. Арнаутов, Е.Н. Калиш, Ю.Ф. Стусь, М.Г. Смирнов, В.Ю. Тимофеев, 2008
