CC BY
31
Возможное влияние землетрясений в Северном Тибете (2001 г.) и близ о. Хоккайдо (2003 г.) на процесс подготовки Алтайского землетрясения 2003 года
П.Г. Дядьков, Л.А. Назаров1, Л.А. Назарова1, А.В. Михеева, Ю.М. Кузнецова
Институт геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 1 Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, 630091, Россия
С использованием трехмерной вязкоупругой модели литосферы Центральной Азии выполнено численное моделирование смещений и деформаций в районе Горного Алтая, вызванных землетрясением на разломе Куньлунь на севере Тибета, произошедшим в ноябре 2001 года (М = 8.1). Рассчитанные для района Горного Алтая деформации в несколько раз превысили те, которые вызваны годовыми смещениями Индии на северо-северо-восток. Таким образом, результаты моделирования свидетельствуют о том, что это событие могло повлиять на подготовку Алтайского землетрясения 2003 года (М = 7.5). Предложен механизм триггерного воздействия, способный объяснить тесную временную связь между землетрясениями Токачи-оки (25.09.2003 г., М = 8.1) в зоне Западно-Тихоокеанской субдукции и Алтайским с М = 7.5, произошедшим через 2 дня на расстоянии 4300 км. В его основе взаимовлияние областей подготовки крупных событий на последних стадиях подготовки. Экспериментальным подтверждением явилось наличие удаленных взаимосвязей между сейсмическими событиями в Байкальском регионе за несколько дней до рассматриваемых крупных землетрясений, что свидетельствует о формировании на заключительных стадиях подготовки единого регионального поля напряжений в земной коре (и особого состояния среды) на территории между будущими землетрясениями.
Possible influence of the 2001 Northern Tibet and 2003 Hokkaido earthquakes on preparation of the 2003 Altai earthquake
P.G. Djadkov, L.A. Nazarov1, L.A. Nazarova1, A.V. Mikheeva, and Yu.M. Kuznetsova Institute of Geophysics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia 1 Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 630091, Russia
Using a 3D viscoelastic model of the lithosphere of Central Asia we have numerically simulated displacements and deformations in Gorny Altai, which were induced by the М8.1 earthquake on the Kunlun fault, Northern Tibet, November 2001. Strains calculated for Gorny Altai are several times higher than those induced by annual displacements of India to the north-northeast. Thus, simulation results testify that this event could influence preparation of the 2003 Altai earthquake (М = 7.5). A triggerring mechanism is proposed, which can explain a close time relation between the М8.1 Tokachi-oki earthquake (September 25, 2003) in a Western Pacific subduction zone and the М7.5 Altai earthquake that occurred in two days at a distance of 4300 km. The mechanism is based on mutual influence of preparation areas of large events at final preparation stages. This is experimentally proved by a distant interrelation between seismic events in the Baikal region several days prior to the considered large earthquakes. This bears witness to the formation of a common regional stress field in the Earth’s crust (and a special state of the medium) on a territory between future earthquakes at final preparation stages.
1. Введение
Произошедшему 27 сентября 2003 года землетрясению с М5 = 7.5 в Горном Алтае предшествовали два сильнейших землетрясения с М = 8.1.
Первое из них произош ло 14 ноября 2001 года в Северном Тибете в горах центрального Куньлуня (рис. 1) в 1500 км от эпицентра будущего Алтайского землетрясения и имело магнитуду М = 8.1 [1]. Подобной силы события не происходили во внутренних облас-
тях Евразийской плиты более 40 лет. Поверхностные разрывные нарушения наблюдались на расстоянии почти 400 км вдоль нескольких сегментов разлома Куньлунь, а величина максимального смещения берегов разрыва на одном из участков достигала 15 метров. Это землетрясение имело практически чисто сдвиговый тип механизма очага с левосторонним смещением берегов разрыва.
© Дядьков П.Г, Назаров Л.А., Назарова Л.А., Михеева А.В., Кузнецова Ю.М., 2006
Рис. 1. Линии сейсмодислокаций и направления подвижек в очагах трех сильнейших в Центральной и Восточной Азии землетрясений, произошедших в 2001-2003 гг.
Второе значительное событие (М5 = 8.1) — землетрясение Токачи-оки [ 2 ] произошло в районе ЗападноТихоокеанской субдукции (рис. 1), немного восточнее южной оконечности острова Хоккайдо, 25 сентября 2003 года — за 2 дня до Алтайского землетрясения и на расстоянии 4300 км от его эпицентра. Оно представляло собой типичный поддвиг субдуктирующей Тихоокеанской плиты под Евразийскую и имело взбросовый тип механизма очага с площадью дислокации около 130^80 км и максимальными смещениями порядка 6 м. В течение последующего после главного события месяца посредством GPS-наблюдений фиксировалось достаточно интенсивное смещение (до 2.5 см/сутки) на площади, значительно превосходящей площадь основной дислокации, и с максимумами смещений, располагающимися в соседних с этой дислокацией районах [2].
В данной работе планировалось оценить возможность влияния этих двух событий на процесс подготовки Алтайского землетрясения. Что касается землетрясения в Северном Тибете, то, прежде всего, обращает на себя внимание сопоставимость длины разрыва на разломе Куньлунь с расстоянием до Горного Алтая, которое только в ~ 4 раза больше длины разрыва. При рассмотрении события около о. Хоккайдо обращает на себя внимание временной фактор — Алтайское землетрясение
произошло всего лишь через 2 дня после события в районе Токачи. Вероятность такого совпадения достаточно мала — событий с М = 7.5 и выше происходит не более 3-7 в год.
2. Численное моделирование смещений и деформаций, вызванных землетрясением на разломе Куньлунь
Моделирование влияния сильнейшего землетрясения, произошедшего в Тибете, на поле смещений и деформаций земной коры Центральной Азии выполнено с использованием трехмерной модели литосферы Центральной и Восточной Азии с вязкоупругой реологией. Используемая вязкоупругая 3D модель литосферы учитывает сферичность Земли. На рис. 2 показана сетка конечных элементов и разломная сеть этой модели. По вертикали модель включает 11 неравных по мощности слоев вплоть до астеносферы и состоит приблизительно из 20 тысяч конечных элементов. При этом достаточно детально отражена неоднородность реологических свойств верхней и нижней коры и верхней мантии. Подробная информация о параметрах модели представлена в работе [3].
Вначале было выполнено тестирование модели по имеющимся для этого региона Центральной Азии дан-
80°
0° 30° 60° 90° 120° 150° 180°
Рис. 2. Сетка конечных элементов и разломная структура трехмерной модели литосферы Центральной Азии. Черной толстой линией показана сейсмодислокация землетрясения 2001 года в Северном Тибете. Направления смещения берегов дислокации показаны черными стрелками. Черным прямоугольником выделен исследуемый район Алтая
ным GPS-наблюдений. Были рассчитаны деформации, возникающие в земной коре по профилю Лхаса-Ново-сибирск под действием годового смещения Индии на северо-северо-восток (~ 50 мм). Рассчитанные с использованием модели деформации (0.8 -10-8) для отрезка линии Урумчи-Алтай оказались близки тем, что были получены из экспериментальных GPS-наблюдений (0.6-10-8). Это подтвердило правомочность использования модели для других расчетов.
Моделирование выполнялось следующим образом: на одном из разломных сегментов модели, соответствующему в первом приближении разлому Куньлунь, было задано двухметровое левостороннее смещение
Рис. 3. Проскальзывание берегов разломов в районе Алтая, вызванное подвижкой при землетрясении в Северном Тибете
берегов, что моделировало землетрясение в Северном Тибете. На следующем этапе были рассчитаны смещения в узлах сетки конечных элементов. На интересующих нас участках были рассчитаны касательные смещения берегов разломов. Это было сделано для блока, который соответствовал на модели расположению Горного Алтая (рис. 3). Кроме того, были рассчитаны деформации для конечных элементов, входящих в интересующий нас блок. Деформации внутри блока в направлении север-юг были сжимающими и достигали 8.15- 10-8. Это значение почти на порядок превышает годовую деформацию в районе Алтая, обусловленную движением Индии на северо-северо-восток.
3. Экспериментальные данные об аномалиях сейсмической активности
Анализ сейсмической активности в некоторых сейсмоактивных районах Центральной Азии был выполнен с целью выделения возможных аномалий, связанных с влиянием землетрясения 2001 г. в Северном Тибете на сейсмический режим.
Графики среднемесячных значений выделения сейсмической энергии для эпицентральной области землетрясения 2001 г. в Северном Тибете, западной части Тарима и Тянь-Шаня, Джунгарии и Алтая (включая Монгольский) приведены на рис. 4. Некоторое увеличение количества землетрясений в районе разлома Куньлунь, т.е. в эпицентральной области и соседних районах
Рис. 4. Районы, для которых выполнялся анализ сейсмической активно сти, сопровождающей землетрясение 14 ноября 2001 года в Северном Тибете (а) и выделение сейсмической энергии (1§ Е, Дж) в этих районах (б): 1 - район эпицентральной области землетрясения в Северном Тибете, 2 - Тянь-Шань, 3 - Джунгария, 4 - Алтай
(верхний график), могло быть связано с неполным устранением афтершоков. Второй и третий графики показывают некоторое увеличение количества и энергии землетрясений в западных районах Тарима и Тянь-Шаня и в Джунгарии после землетрясения в Северном Тибете. Нижний график свидетельствует о том, что в районе Алтая сейсмическая активность не увеличилась, по крайней мере, в первый год после тибетского землетрясения.
Региональная особенность сейсмического режима перед сентябрьскими землетрясениями Токачи и Алтайским выражалась в сейсмической активизации Байкальской рифтовой зоны — наиболее значительной мегаструктуры с пониженными значениями упругих и реологических свойств на всей территории между эпицент-ральными зонами Алтайского и Токачи-оки землетрясений. При этом в течение периода меньше суток 16 и 17 сентября произошло 2 толчка с магнитудами 5.5 и 5.3. Первый из них имел место на северо-восточном фланге рифтовой зоны, а второй — на юго-западном, в 700 км от первого. С 13 по 20 сентября по данным оперативных бюллетеней Байкальского и Алтае-Саянского регионов наблюдалась сейсмическая активизация на всем пространстве от Западного Алтая до Забайкалья. Такой кластер состоял из 11 событий с М> 3, тогда как в остальное время с 1 до 12 и с 21 по 25 сентября (17 дней) произошло только 5 событий (рис. 5).
4. Обсуждение результатов
Анализ полученных в результате численного моделирования данных показывает, что землетрясение в Северном Тибете на разломе Куньлунь могло повлиять на подготовку Алтайского землетрясения с М8 = 7.5 в Горном Алтае, произошедшего 27 сентября 2003 г., меньше чем через 2 года после тибетского события. Землетрясение на разломе Куньлунь (М=8.1, 14.11. 2001) должно было увеличить упругую потенциальную энергию в земной коре Горного Алтая как за счет упругих деформаций блоков, так и за счет накопления этих деформаций в районе разломов, если эти разломы находились в «запертом» состоянии. При этом дополнительные упругие деформации были направлены таким образом, что на разломах северо-западного простирания должны были увеличиться сдвиговые напряжения, которые могли вызвать правосторонний сдвиг на одном из разломов.
Экспериментальные данные о развитии постсейсми-ческого процесса в районах Центральной Азии, ближайших к эпицентральной области тибетского землетрясения, скорее говорят в пользу влияния землетрясения в Северном Тибете на сейсмичность некоторых участков в этом регионе и, по крайней мере, не опровергают сделанный на основе результатов численного моделирования вывод. Отсутствие реакции сейсмической активности района Алтая, отмеченное выше, возможно, указывает на особые условия состояния среды в этом регионе, связанные с подготовкой сильного землетрясения. Аналогичное поведение сейсмичности Алтайского региона наблюдалось во время эпизода сжатия и последующего интенсивного растяжения, имевших место в 1992-1995 гг. в соседнем Байкальском регионе [4]. Анализ реакции сейсмического режима ряда районов Центральной Азии на интенсивное растяжение 1994-1995 гг.
показал, что увеличение сейсмической активности в эти годы, кроме Байкала, наблюдалось также в Джунгарии, Северном Тянь-Шане, но, как и в случае землетрясения в Северном Тибете, отсутствовало в районе Алтая.
Рассмотрим некоторые возможные механизмы триггерного воздействия землетрясения Токачи-оки 25 сентября 2003 г. на процесс подготовки Алтайского землетрясения, которое произошло двумя днями позже. Отметим также, что аналогичный случай, но для менее сильных событий, имел место в 1993 году. Землетрясение 13 июля 2003 года в дельте реки Селенги с М = 5 произошло на следующий день после землетрясения с МS = 7.6, эпицентр которого находился в Японском море западнее острова Хоккайдо.
Качественный анализ поля дислокаций в очаге землетрясения Токачи-оки и окружающей области [2] свидетельствует о том, что подвижка в зоне субдукции (продвижение Евразийской плиты на восток и поддвиг Тихоокеанской плиты) могла способствовать некоторому увеличению сдвиговых напряжений на разломах северо-западной ориентации в районе Алтая. Однако удаленность эпицентров этих событий снижает вероятность действия именно этого механизма.
Следует иметь в виду два возможных типа наиболее простых механизмов триггерного воздействия статической или квазистатической природы. К первому типу можно отнести упомянутый выше механизм внешнего воздействия, при котором могут увеличиваться касательные напряжения на разломе или его участке, где готовится землетрясение. Ко второму типу отнесем все те случаи, при которых происходят изменения механических свойств разломной зоны (упругих модулей, жесткости и вязкости) в сторону их снижения. Сюда можно отнести большой класс явлений — повышение флюидонасыщенности, образование газовых пузырьков и т.п. [5]. Кроме того, такая ситуация может возникнуть при любом внешнем воздействии, направленном на раз-двиг разломной зоны. В свою очередь, это приводит, во-первых, к снижению ее прочностных свойств и, во-вторых, к увеличению контраста механических свойств среды в разломной зоне и вне ее, что ведет к повышению уровня напряжений в районе разломной зоны, особенно интенсивному у ее концов [6]. Оба эффекта повышают вероятность провоцирования главной подвижки.
Обсудим еще один вариант триггерного воздействия, идея о котором подсказана приведенными в разделе 3 экспериментальными данными об аномальном поведении сейсмичности в Байкальской рифтовой зоне перед землетрясениями Токачи-оки и Алтайским. Рассмотрим возможность взаимовлияния областей подготовки двух крупных землетрясений. Известно, что область подготовки может в десять и более раз превышать размер очага землетрясения. При этом особую роль играет явление дилатансии [7]. Возникновение зоны дилатансии
может создать условия дополнительного сжатия в земной коре районов, окружающих эту зону. В случае подготовки сильных сейсмических событий области их подготовки (области аномального напряженного состояния) могут накладываться друг на друга. Реализация одного из этих двух крупных землетрясений («выключение» источника дилатансии и накопленных упругих деформаций) создает условия разгрузки на достаточно больших территориях, в том числе в области взаимовлияния полей напряжений от двух источников. В связи с этим происходит перераспределение поля напряжений в области подготовки нереализованного землетрясения. В зависимости от ориентации зоны будущего разрыва и осей главных напряжений в районе очага может произойти усиление или ослабление касательных напряжений на плоскости готовящегося разрыва. В первом случае это приводит к провоцированию второго крупного события.
Подтверждением возможности действия такого триггерного механизма являются сведения об особенностях сейсмической активности в Байкальской рифто-вой зоне за 10-11 дней до землетрясений Токачи-оки и Алтайского. 16 и 17 сентября 2003 года произошло два землетрясения — одно с М = 5.5 на северо-восточном фланге рифтовой зоны и второе с М = 5.3 — на югозападном. Расстояние между эпицентрами этих событий составляет 700 км. Обращает на себя внимание близость этих событий во времени при удаленности эпицентров. Это указывает на наличие таких условий, при которых среда между будущими эпицентрами землетрясений Токачи-оки и Алтайским находилась в едином региональном поле напряжений, обусловленном как действием традиционных источников, так и влиянием процессов подготовки двух крупных землетрясений на заключительной стадии. Не исключено, что под действием такого регионального поля напряжений может происходить переупаковка блоковой системы и некоторое изменение упругих и реологических свойств среды особенно в зонах контактов [8], при этом в целом среда становится более «компактно» упакованной и восприимчивой к «энергонасыщению». Именно в таких условиях одно динамическое событие может провоцировать на большом удалении другое. На это же указывает наличие кластера из 11 сейсмических событий с М> 3, который имел место с 13 по 20 сентября 2003 г. в Алтайском и Байкальском регионах.
5. Заключение
Результаты численного моделирования смещений и деформаций, вызванных в районе Горного Алтая землетрясением на разломе Кунь-лунь на севере Тибета, произошедшим в ноябре 2001 года (М = 8.1), свидетельствуют о том, что это событие могло повлиять на подготовку Алтайского землетрясения 2003 года (М = 7.5), которое
произошло менее чем через два года. Рассчитанные с использованием трехмерной вязкоупругой модели литосферы Центральной Азии деформации для района Алтая в несколько раз превысили те, которые вызваны годовым продвижением Индии на северо-северо-восток. Экспериментальные данные о сейсмической активности после землетрясения в Северном Тибете свидетельствуют об увеличении числа событий и их энергии для районов Джунгарии, западной части Тарима и Тянь-Шаня, но в то же время такое увеличение отсутствует в районе Алтая, что может свидетельствовать об особом состоянии среды в области подготовки этого крупного землетрясения.
Одним из вероятных триггерных механизмов, способных объяснить тесную временную связь между землетрясениями Токачи-оки (25.09.2003 г., М = 8.1) в зоне Западно-Тихоокеанской субдукции и Алтайским землетрясением с М = 7.5, произошедшим через 2 дня на расстоянии 4300 км, может быть явление взаимовлияния областей подготовки этих крупных событий. При этом существенное значение могут иметь дилатансион-ные эффекты. Экспериментальное подтверждение связано с особенностями сейсмической активизации, имевшей место 15-20 сентября в Байкальском регионе, когда два относительно сильных события с М = 5.5 и 5.3 произошли в течение суток на противоположных флангах рифтовой зоны на расстоянии 700 км друг от друга. Такое проявление сейсмичности может происходить в условиях влияния интенсивного регионального поля напряжений и, возможно, измененных под его действием свойств среды, в первую очередь, в межблочных контактах. Поскольку Байкальский регион располагается между областями подготовки рассматриваемых крупных
сейсмических событий, то вышеприведенные доводы свидетельствуют в пользу предложенного механизма.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ №№ 03-05-65418 и 06-05-64921, программы Президиума РАН № 13, интеграционных проектов СО РАН.
Литература
1. Van der Woerd J., MeriauxA.-S., Klinger Y, RyersonF.J., GaudemerY., Tapponnier P. The 14 November 2001, Mw = 7.8 Kokoxili Earthquake in Northern Tibet (Qinghai Province, China) // Seismological Research Letters, - 2002.- V. 73 - No. 2. - P. 125-135.
2. Miyazaki S., Segall P., Fukuda J., Kato T. Space time distribution of afterslip following the 2003 Tokachi-oki earthquake: Implications for variations in fault zone frictional properties // Geopys. Res. Let. -2004. - V. 31. - L06623, doi: 10.1029/2003GL019410.
3. Дядьков П.Г., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Трехмерная вязкоупругая модель литосферы Центральной Азии: методология построения и численный эксперимент // Физ. мезомех. - 2004. -Т.7. - № 1. - С. 91-101.
4. Дядьков П.Г., Мельникова В.И., Саньков В.А., Назаров Л.А., Назарова Л.А., Тимофеев В.Ю. Современная динамика Байкальского рифта: эпизод сжатия и последующее растяжение в 1992-1996 годах // Доклады РАН. - 2000. - Т. 372. - № 1. - С. 99-103.
5. Harris R.A. Introduction to special section: Stress triggers, stress shadows, and implications for seismic hazard // J. Geophys. Res. -1998. - V. 103. - No. B10. - P. 24347-24358.
6. Дядьков П.Г., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Численное моделирование напряженного состояния земной ropbi и условий возникновения динамической неустойчивости сейсмоактивных разломов щи pифтогенезе // Геология и геофизика. - 1997. - Т. 38. - №2 12.-С. 2001-2010.
7. Гольдин С.В. Дилатансия, переупаковка и землетрясения // Физика
Земли. - 2004. - № 10. - С. 37-54.
8. Кочарян Г.Г., Костюченко В.Н., Павлов Д.В. Инициирование деформационных процессов в земной коре слабыми возмущениями // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 1. - С. 5-22.
