CC BY
5УДК 550.34
Омуралиев М., Омуралиева А.
Институт сейсмологии НАН КР, г. Бишкек, Кыргызстан
СЕЙСМИЧНОСТЬ И СЕЙСМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ТЕРРИТОРИИ БАТКЕНСКОЙ ОБЛАСТИ КЫРГЫЗСТАНА
Аннотация. По имеющимся комплексным геолого-геофизическим и геоморфологическим данным выделена иерархия активных структур, генерирующих землетрясения Баткенской области. Применяя широко известные регрессионные зависимости моментной магнитуды и длины разлома, получены значения максимальной магнитуды.
Определена повторяемость Гутенберга-Рихтера событий по энергетическим классам К = lgE (Дж), магнитудам М Гутенберга-Рихтера, магнитудам поверхностных сейсмических волн Мs, моментным магнитудам Mw.
Изучена последовательность проявления землетрясений, выявлена иерархия сейсмических нелинейных циклов, выраженные полиномом, представляющие собой уравнение сейсмических процессов, и прослежены уровни сейсмической опасности.
Установлено, что график кумулятивной энергии ступенчатый, выражает сейсмические циклы и, примерно, в 2030 г. завершится период затишья после сильного Хаитского землетрясения (1949 г.) - снова наступит период сейсмической активизация.
Ключевые слова: землетрясение, иерархия активных блоков, последовательность проявления землетрясений, иерархия сейсмических циклов, кумулятивная сейсмическая энергия, уравнение сейсмических процессов, уровни сейсмической опасности.
КЫРГЫЗСТАНДЫН БАТКЕН ОБЛУСУНДАГЫ ЖЕР ТИТИРeeРY ЖАНА
СЕЙСМИКАЛЫК РЕЖИМИ
Кыскача мазмуну. Болгон комплекстик геологиялык, геофизикалык жана геоморфологиялык маалыматтарга таянып, Баткен аймагында жер титирeeлeрдY пайда кылуучу активдYY структуралардын иерархиясы аныкталган. Моменттик магнитуда менен жараканын узундугунун белгилуу регрессиялык кез карандылыктарын колдонуп магнитуданын максималдуу мааниси чыгарылды.
Окуялардын Гутенберг-Рихтердин кайталануусу К = 1о§Е (!) энергетикалык класстар, Гутенберг-Рихтердин магнитудасы М, жер YCTYндeгY сейсмикалык толкундар магнитудасы Ms, моменттик магнитуда Mw боюнча аныкталган.
Жер титирeeлeрдYн пайда болуу ырааттуулугу изилденген, сейсмикалык процесстердин тендемесин билдирген полином менен туюнтулган сейсмикалык сызыктуу эмес циклдердин иерархиясы табылып, сейсмикалык коркунучтун денгээлдери кeзeмeлдeнгeн.
КумулятивдYY энергиянын графиги тепкичтYY, бул сейсмикалык циклдерди билдирери аныкталган жана болжол менен 2030 -жылы Хаиттеги жер титирeeдeн (1949 ж.) кийин сейсмикалык тынч мезгил бYтeт жана сейсмикалык активдешYY мезгили кайрадан башталат.
Негизги сездер: жер титирee, активдYY блоктордун иерархиясы, жер титирeeнYн пайда болушунун ырааттуулугу, сейсмикалык циклдердин иерархиясы, кумулятивдYY сейсмикалык энергия, сейсмикалык процесстердин тендемеси, сейсмикалык коркунучтун денгээлдери.
SEISMICITY AND SEISMIC REGIME OF THE TERRITORY OF THE BATKEN
REGION, KYRGYZSTAN
Abstract. Hierarchy of active structures that generate earthquakes in the Batken region was identified based on the available complex geological, geophysical and geomorphological data. Values of the maximum magnitude were obtained using well-known regression dependences between moment magnitude and fault length.
The Gutenberg-Richter recurrence law of events was determined on energy classes K=lgE (J), Gutenberg-Richter magnitudes M, surface waves magnitudes Ms, moment magnitudes Mw.
Sequence of earthquakes' manifestation is studied, hierarchy of seismic nonlinear cycles, expressed by a polynomial, which represents the equation of seismic processes is revealed, and levels of seismic hazard are traced.
It was found that the graph of cumulative energy is stepped, which expresses seismic cycles, and seismically calm period after the Khait earthquake (1949) will end approximately in 2030, and period of seismic activization will start again.
Keywords: earthquake, hierarchy of active blocks, sequence of earthquake's manifestation, hierarchy of seismic cycles, cumulative seismic energy, equation of seismic processes, levels of seismic hazard.
Введение
В 2018 г. Институтом сейсмологии НАН КР (ИС НАН КР) по результатам детерминистского анализа сейсмической опасности (ДАСО) составлена нормативная карта интенсивности сотрясений земной поверхности в баллах шкалы MSK-64 (масштаб 1:1 000 000) при вероятных максимальных землетрясениях на территории Кыргызстана (Обязательное приложение В к СНиП КР 20-02:2018). На рисунке 1 приведён фрагмент этой карты - территория Баткенской области.
Интенсивность сотрясения земной поверхности в баллах 7 8 9 >9
Рисунок 1. Карта интенсивности сотрясений земной поверхности в баллах шкалы MSK-64 территории Баткенской области (фрагмент Карты интенсивности сотрясений земной
поверхности в баллах при вероятных максимальных землетрясениях на территории Кыргызстана, 2018 г.).
Характеристика активных структур
Восточная и западная части рассматриваемой территории отличаются по строению активных структур. На восточной части формируются (с юга на север) Алайское и Кичи Алайское устойчивые поднятия, которые имеют северовергентное строение [1], как и Заалайское поднятие Памира (рисунок 2). Эти поднятия с севера ограничены активными разломами. На западной части территории развиваются (с юга на север) Гиссарское, Зеравшанское и Туркестанское активные устойчивые поднятия. Гиссарское поднятие ограничено с юга активным разломом взбросового (возможно поддвигового) типа, Зеравшанское поднятие с севера - активным разломом взбросового типа, Туркестанское поднятие ограничено с севера активным разломом взбросового типа и надвигается на Исфанинскую впадину (рисунок 3). Гиссарское поднятие Южного Тянь-Шаня ^ севера, северо-запада), Сурхобское и Дарвазское поднятия Памира (с юго-востока) составляют конвергентную структуру литосферы. Соответственно на рассматриваемой территории имеется иерархия активных структур, которые подвергаются динамической сегментации и секторизации.
Рисунок 2. Геолого-геоморфологический профиль через Алайскую и Кичик-Алайскую активные поднятия Южного Тянь-Шаня [1].
Рисунок 3. Геолого-геоморфологический профиль через Гиссаро-Туркестанское активное поднятие Южного Тянь-Шаня [1].
Активные сейсмогенерирующие разломы и возможные максимальные магнитуды землетрясений на территории Баткенской области
Активные разломы, генерирующие землетрясения, приведены на рисунке 4 и в таблице 1. При этом, в каждом активном разломе по имеющимся комплексным геолого-геофизическим и геоморфологическим данным определены кинематика (типы) и максимальная возможная длина. Применяя регрессионные зависимости [2] моментной магнитуды и длины разлома, получили значения максимальной магнитуды:
Mag=5.08+1.16*log(Length) (для всех типов разломов),
Mag=5.16+1.12*log(Length) (для сдвигового типа),
Mag=5.00+1.22*log(Length) (для взбросового типа),
Mag=4.86+1.32*log(Length) (для сбросового типа), (1)
где Mag- моментная магнитуда Mw, Length - Lmax (км).
Неопределённость магнитуды Mw составляет: 0.28, 0.28, 0.28, и 0.34 для всех типов, сдвигового, взбросового и сбросового типов разлома, соответственно.
19 i tpktt iuho Ллайский
Рисунок 4. Активные разломы, генерирующие землетрясения Баткенской области.
Используя данные Mw, определяем значения магнитуды по поверхностным волнам Ms и локальной магнитуды MLH по формулам [3, 4]:
Mw=0.67Ms+2.07 при 3.0 < Ms < 6.1 (2)
Mw=0.99Ms при 6.2 < Ms < 8.2 (3)
MW=0.97Mlh+0.19. (4)
На основании зависимости сейсмической энергии K = lgE (Дж) и магнитуды М Гутенберга -Рихтера [5] получаем формулу:
K = 4.8+1.5 M. (5)
Таблица 1. Активные разломы, генерирующие землетрясения Баткенской области.
№ разлома Сегменты разломов Тип разлома Максимальная длина Сейсмические моменты
Mw Ms M
15 Сулуктинский:
Сулуктинский взброс 90 7,66 7,9 7,95
Советский взброс 70 7,53 7,76 7,81
Фрунзенский взброс 50 7,35 7,58 7,62
16 Катрантооский:
Исфанинский взброс 70 7,53 7,76 7,81
Центральный взброс 50 7,35 7,58 7,62
Чаувайский взброс 40 7,23 7,45 7,49
17 Андаракский взброс 50 7,35 7,58 7,62
18 Северо-Хайдарканский
взброс 90 7,66 7,9 7,95
19 Туркестано-Алайский:
Восточно-
Туркестанский взброс 120 7,82 8,06 8,12
Западно-
Алайский взброс 100 7,72 7,96 8,01
Центрально-
Алайский взброс 90 7,66 7,9 7,95
Восточно-
Алайский взброс 60 7,45 7,68 7,72
Распределение эпицентров землетрясений и их повторяемость
Распределение эпицентров землетрясений с K > 7.0 за 1822- 2020 гг. на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' по данным каталога ИС НАН КР приведено на рисунке 5.
68°00' 68°30' 69°00' 69°30' 70°00' 70°30' 71°00' 71°30' 72°00' 72°30
Условные обозначения
Энергетический класс землетрясений за 1820-2020 гг.
• - 7.0<К<8.6 ' - 8.6<К<9.6 о - 9.6<К<10.6 о -10.6<К<11.6 □ - 11.6<К<12.6 О - 12.6<К<13.6 О - 13.6<К<14.6 ^ - 14.6<К<15.6 ^ - К>15.6
Основные активные разломы
И
Рисунок 5. Карта распределения эпицентров землетрясений с K > 7.0 за 1822- 2020 гг. на площади, ограниченной координатами ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30\
Определены периоды однородности каталога для каждого класса (7.6-8.5; 8,6-9,5; 9.6-10.5; 10.6-11.5; 11.6-12.5; 12.6-13.5; 13.6-14.5; 14.6-15.5; 15.6-17.5) землетрясений по мере развития сети сейсмических станций с учетом данных ЦД ИС НАН КР (таблица 2).
Таблица 2. Периоды однородности каталога для каждого класса (7.6-8.5; 8,6-9,5; 9.6-10.5; 10.6-11.5; 11.6-12.5; 12.6-13.5; 13.6-14.5; 14.6-15.5; 15.6-17.5) землетрясений на площади, ограниченной координатами ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' за 1822-2020 гг.
К = № Дж Период
начало конец
8 (7.6-8.5) 1995 2020
9 (8.6-9.5) 1955 2020
10 (9.6-10.5) 1955 2020
11 (10.6-11.5) 1955 2020
12 (11.6-12.5) 1929 2020
13 (12.6-13.5) 1913 2020
14 (13.6-14.5) 1896 2020
15 (14.6-15.5) 1822 2020
16 (15.6-16.5) 1822 2020
17 (16.6-17.5) 1822 2020
Определены также средние годовые частоты землетрясений, дифференцированных по интервалам энергетических классов K = lgE (Дж), магнитуд М Гутенберга-Рихтера, магнитуд поверхностных сейсмических волн Мs, моментных магнитуд Mw. Построены графики повторяемости Гутенберга-Рихтера землетрясений (рисунки 6-9), которые выражены формулами (6) - (9). Достоверность их аппроксимации составляет R2 = 0.98-0.99.
^N=-0.4664^5.8755, R2=0.99 (6)
lgN=-0.6995M+3.6371, R2=0.99 (7)
lgN=-0.7212Ms+3.7741, R2=0.99 (8)
lgN=-0.9683Mw+5.4937, R2=0.98 (9)
Коэффициенты: -0.4664, -0.6995, -0.7212, -0.9683 означают, что повторяемость землетрясений имеет дробную - фрактальную размерность.
2,5 2 1,5
г
М 1
я н о
Й 0,5
я ' р
в
и 0 5
в -0,5
в
№
ч
V 1 а -1
и
-1,5 -2 -2,5
> 1gN = -0, 4664 1§Е R2 = 0,99 + 5,8755
7 * 9 1 01 11 21 ^ 1 41 51 61 71
►
\
< \ ►
Энергетический класс К=1§Е, Дж
Рисунок 6. График повторяемости Гутенберга-Рихтера землетрясений на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' по энергетическим классам K=lgE (Дж).
Рисунок 7. График повторяемости Гутенберга-Рихтера землетрясений на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' по магнитуде Гутенберга-Рихтера М.
Рисунок 8. График повторяемости Гутенберга-Рихтера землетрясений на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' по магнитуде поверхностных волн Мs.
Рисунок 9. График повторяемости Гутенберга-Рихтера землетрясений на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' по моментной магнитуде Mw.
Последовательность проявления землетрясений на территориях Баткенской
области и приграничных районов
В последовательности проявления землетрясений (по данным каталога ИС НАН КР) выделяется иерархия сейсмических циклов. Каждый цикл нелинейный состоит из пика сейсмической активизации, периода спада сейсмической активизации, периода затишья, периода сейсмической активизации и повторного пика сейсмической
активизации. Иерархия сейсмических циклов выражает динамику иерархии активных структур. Так, последовательность землетрясений с К > 9.0 на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' за период 1955-2020 гг. приведена на рисунке 10, где выделяются сейсмические циклы четвёртого и третьего порядков. Пики сейсмических циклов четвёртого порядка приведены в таблице 3. Период сейсмических циклов четвёртого порядка составляет Т=2.6-8.8 лет.
16
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025
Годы
Рисунок 10. Последовательность проявления землетрясений с К > 9.0 за 1955-2020 гг. на площади, ограниченной координатами ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30'. Сейсмические циклы четвёртого порядка обозначены сплошной линией, третьего порядка - штрих пунктирной линией
Таблица 3. Пики сейсмических циклов четвёртого порядка в последовательности проявления землетрясений.
№ пп Год месяц число Время к=1еб, Дж Период цикла Т, год
1 1955 6 15 1955.46 13.1
2 1958 1 13 1958.04 12.9 2.58
3 1963 6 3 1963.42 12.7 5.38
4 1972 3 17 1972.21 13.5 8.79
5 1977 1 31 1977.08 15.5 4.87
6 1985 10 23 1985.78 14.6 8.7
7 1990 11 3 1990.84 13.8 5.06
8 1995 2 20 1995.14 13.6 4.3
9 2002 9 5 2002.68 13 7.54
10 2007 1 8 2007.02 14.8 4.34
11 2011 7 19 2011.55 14.1 4.53
12 2017 5 3 2017.34 14.5 5.79
График последовательности землетрясений с K > 12.0 на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' за период 1823-2020 гг. показан на рисунке 11. Выделяются сейсмические циклы третьего и второго порядков. Пики циклов третьего порядка, по которым выделяется цикл второго порядка, приведены в таблице 4. Период сейсмических циклов
третьего порядка составляет Т=27.6-75.05 лет.
18 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1800 1825 1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 2025
Годы
Рисунок 11. Последовательность проявления землетрясений с K > 12.0 на площади ф= 39°-40°40', X = 68°-72°30' за период 1823-2020 гг. Сейсмические циклы третьего порядка обозначены штрих пунктирной линией, второго порядка - точечной линией.
Таблица 4. Пики сейсмических циклов третьего порядка, по которым выделяется цикл второго порядка.
№ пп Год месяц число Время Дж Период цикла Т, год
1 1822 9 1 1822.66 15.2
2 1897 9 17 1897.71 15.8 75.05
3 1949 7 10 1949.53 17.0 51.82
4 1977 1 31 1977.08 15.5 27.55
5 2007 1 8 2007.02 14.8 29.94
Далее, по пикам циклов третьего порядка выделяются циклы второго порядка. В цикле второго порядка после сентября месяца 1822 г. наступила активизация, которая достигла своего пика в 1949 г. - произошло Хаитское землетрясение с K = 17.0. После этого пика наблюдался спад сейсмической активизации, а после 2017 г., вероятно, наступило сейсмическое затишье. Следует отметить, что цикл первого порядка до и после 1949 г. ещё не определён.
Сейсмический цикл третьего порядка за 1897-1949 гг. перед Хаитским землетрясением (1949, К = 17.0) приведён в таблице 5, который выражается эмпирической формулой, представляющей собой уравнение сейсмических процессов (УСП). В 1897 г. отмечался пик сейсмической активизации. В 1923 г. наступил период затишья. После наступил очередной период активизации. В апреле 1941 г. отмечался нелинейный рост сейсмической активизации и в июле 1949 г. она достигла пика сейсмической активизации - произошло катастрофическое Хаитское землетрясение и погибло более 20 тыс. человек [6-8].
Таблица 5. Сейсмический цикл третьего порядка за 1897-1949 гг. перед Хаитским землетрясением (1949, К=17.0) по пикам циклов четвёртого порядка.
Период цикла
№ Год месяц число К=1вБ, Т(год)
пп Дж четвёртого порядка
1 1897 9 17 15.8
2 1923 12 28 15.3 26
3 1941 4 20 15.6 18
4 1949 7 10 17.0 8
Данный цикл выражается эмпирической формулой, представляющей собой уравнение сейсмических процессов (УСП):
1§Е=0.000И3-0.006321;2+0.0809б1+15.7, Я2=1, (10)
где K=lgE (Дж), t - время (годы), R2- достоверность аппроксимации. Составляющие (10) представляют собой функции сейсмических процессов. На рисунке 12 показаны графики этих функций. Функция А - медленно нелинейно растёт, функция 12 - спускается нелинейно, функция 13- линейно растёт.
-11=0,0001*1*1*1 -12=-0,00632*1*1 -13=0,08096*1 -14=15,7
Рисунок 12. Графики функций сейсмических процессов цикла третьего порядка перед Хаитским землетрясением (1949, К=17.0).
Высвобождение энергии при последовательностях землетрясений
Кумулятивная сейсмическая энергия, высвобожденная при землетрясениях с энергетическими классами К > 7.0 на площади ф = 39°-40°40', Х=68°-72°30' за период 1822-2020 гг., приведена на рисунке 13. График этой энергии неровный, ступенчатый, характеризует сейсмические циклы. Резкий скачок суммарной сейсмической энергии в 1949 г. обусловлен высвобождением энергии сильного Хаитского землетрясения. После этого события изменение кумулятивной сейсмической энергии за 1949-2020 гг. имело свой характер (рисунок 14). Тренд её выражен эмпирической формулой:
Ек=(0.1086^84.011)хЕ+15, Дж,
(11)
где Ек - кумулятивная сейсмическая энергия (Дж), t - время (год), коэффициент 0.1086*1015 имеет размерность Дж/год- скорость высвобождения энергии. Наблюдается флуктуация суммарной сейсмической энергии, верхний и нижний её пределы ограничиваются параллельными прямыми линиями. Важно отметить, что график энергии постепенно приближается к нижнему пределу флуктуации, примерно, в 2030 г. завершится период затишья и наступит активизация.
160
^ 140
ш
+
м в? 120
й 100
в
я
£ 80
1 60
в я № И
40
В
£
20
1800
<
«ам ИШШШ
* • ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ «* 1
1825
1850
1875
1900
1925 Годы
1950
1975
2000
2025
2050
Рисунок 13. Кумулятивная сейсмическая энергия, высвобожденная при землетрясениях с энергетическими классами К > 7.0 на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' за период 1822-2020 гг.
0
Рисунок 14. Кумулятивная сейсмическая энергия, высвобожденная при землетрясениях с энергетическими классами K > 7.0 на площади ф = 39°-40°40', X = 68°-72°30' за период 1949-2020 гг. Общий тренд графика обозначен сплошной линией, нижний и верхний пределы флуктуации - пунктирными линиями; продолжительность ожидаемого периода затишья - точечной красной линией
Заключение
1. По имеющимся комплексным геолого-геофизическим и геоморфологическим данным выделена иерархия активных структур, генерирующие землетрясения. Вместе с тем определены кинематика (типы) и максимальная возможная длина активных разломов.
2. Применяя регрессионные зависимости [2] моментной магнитуды и длины разлома, получены значения максимальной магнитуды:
Mag=5.08+1.16*log(Length) (для всех типов разломов),
Mag=5.16+1.12*log(Length) (для сдвигового типа), Mag=5.00+1.22*log(Length) (для взбросового типа), Mag=4.86+1.32*log(Length) (для сбросового типа), где Mag- моментная магнитуда Mw, Length - Lmax (км).
Неопределённость магнитуды Mw составляет: 0.28, 0.28, 0.28, и 0.34 для всех типов, сдвигового, взбросового и сбросового типов разлома, соответственно.
3. По данным каталога землетрясений ИС НАН КР определена повторяемость Гутенберга-Рихтера событий по энергетическим классам K=lgE (Дж), магнитудам М Гутенберга - Рихтера, магнитудам поверхностных сейсмических волн Ms, моментным магнитудам Mw:
lgN=-0.4664K+5.8755, R2=0.99, lgN=-0.6995M+3.6371, R2=0.99, lgN=-0.7212Ms+3.7741, R2=0.99, lgN=-0.9683Mw+5.4937, R2=0.98. Коэффициенты: -0.4664, -0.6995, -0.7212, -0.9683 означают, что повторяемость землетрясений имеет дробную - фрактальную размерность.
4. Изучена последовательность проявления землетрясений, выявлена иерархия сейсмических нелинейных циклов, которые выражены полиномами, представляющие собой уравнение сейсмических процессов; определены функции сейсмических процессов в сейсмических циклах, как составляющих полиномов; прослежены уровни сейсмической опасности на уровнях иерархии сейсмических циклов. Каждый цикл состоит из пика сейсмической активизации, периода спада, сейсмической активизации, периода затишья, периода сейсмической активизации и повторного пика сейсмической активизации.
5. Установлено, что высвобождение энергии при последовательностях землетрясений является важной характеристикой сейсмических процессов. График энергии ступенчатый, выражает сейсмические циклы. Можно отметить, что график энергии после 1949 г. постепенно приближается к нижнему пределу флуктуации и, примерно, в 2030 г. завершится период затишья, после чего снова наступит период сейсмической активизации.
Литература
7. Чедия О.К. Морфоструктуры и новейший тектогенез Тянь-Шаня. Фрунзе: Илим, 1986. 316 с.
8. Wells D. L. and Coppersmith K. J. New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. // Bull. Seismol. Soc. Am., 1994, Vol.84, N4, pp. 974-1002.
9. IASPEI, volume 1, Editor P. Borman. Potsdam. 2002. P.356
10. USGS (2013) The Preliminary Determination of Epicenters (PDE) Bulletin. http://earthquake.usgs.gov/research/data/pde.php. Accessed 17 January 2013
11. Gutenberg B., Richter C. F. Earthquake magnitude, intensity, energy, and acceleration: (Second paper). //Bulletin of the Seismological Society of America, 1956, Vol. 46 (2), pp.105-145.
12. Семенов П.Г., Семенова В.А. Каталог землетрясений, ощущавшихся на территории Таджикистана за период 1865-1940 и 1941-1952 гг. Сталинабад: Изд-во АН Тадж. ССР, 1958.
13. Губин И.Е. Закономерности сейсмических проявлений на территории Таджикистана. -М. Издательство АН СССР, 1960, 464 с.
14. Джанузаков К.Д., Омуралиев М., Омуралиева А., Ильясов Б.И., Гребенникова В.В. Сильные землетрясения Тянь-Шаня. Бишкек: Илим. 2003.-216 с.
Рецензент: чл.-корр. НАН КР, д.г.-м. н, проф. Абдрахматов К.Е.
