CC BY
44
С. В. Баранов1, А. Н. Виноградов12
ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ АНОМАЛЬНОЙ
СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В ПРОЛИВЕ
СТУР-ФИОРД (АРХИПЕЛАГ ШПИЦБЕРГЕН) В 2008-2009 ГОДАХ
1. Введение
Пролив Стур-фиорд разделяет два наиболее крупных острова архипелага Шпицберген — Западный Шпицберген и Эдж. Ширина пролива у южного края около 300 км, глубины моря варьируют от 50 до 200 м (рис. 1). В тектоническом плане район относится к северо-западному пассивному краю Баренцево-Карской платформы, занимая пограничное положение между сводовым поднятием Свальбардского мегаблока и желобом Зюйдкапп на южном шельфовом обрамлении архипелага. Недислоцированный палеозойско-мезозойский осадочный чехол, перекрытый четвертичными нелитифици-рованными осадками, залегает на дислоцированном протерозойском (готско-гренвиль-ском) фундаменте. Мощность осадочного чехла на северном борту впадины в проливе Стур-фиорд (на широте 78,5°) составляет 2-3 км, а к югу он быстро увеличивается, достигая 10-12 км в осевой части впадины (на широте 76°) [1].
К Стур-фиорду приурочен один из самых активных очаговых ареалов внутри-плитовых землетрясений. Первый инструментально зарегистрированный всплеск сейсмической активности отмечен в 1976 г., когда 18 января в 4h:46//:26/ UT в районе Земли Геера (западное побережье Стур-фиорда) произошло землетрясение с магнитудой mb = 5,5 (рис. 2), сопровождавшееся большим количеством афтершоков [2]. Оценки глубины гипоцентра разнятся от 10 (CSEM) до 46,8 км (ISC). В ближайших окрестностях эпицентральной зоны (прямоугольник 40 х 15 км) с 1977 по 1984 гг. было зарегистрировано более 2000 толчков с магнитудами до 3,5 [3, с. 29]. С геофизической точки зрения, это землетрясение представляло огромный научный интерес, так как было самым сильным внутриплитовым землетрясением, известным до недавнего времени.
После землетрясения 1976 г. сейсмологические круги начали проявлять повышенный интерес к изучению сейсмичности Шпицбергена. В частности экспедиция Сан-Луистского университета США в течение летних месяцев 1976-1977 гг. зарегистрировала большое количество землетрясений в указанной зоне [2, 4]. Затем норвежская экспедиция в июле-августе 1979 г. зарегистрировала более 60 землетрясений в этой зоне с максимальной магнитудой 3,4 [2]. После января 1976 г. сильных землетрясений в районе залива Стур-фиорд не происходило вплоть до 2003 г., когда 4 июля в 07h:16/:43// (GMT) в желобе Зюйдкапп произошло землетрясение с Mw = 5,4 (см. рис. 2); оценки глубины — от 10 (NEIC) до 44 км (NAO). Это событие, в отличие от землетрясения 1976 г., не индуцировало большого количества афтершоков (5 событий с ML > 2).
1 Кольский филиал Геофизической службы РАН, г. Апатиты.
2АФ МГТУ, кафедра геологии и полезных ископаемых, г. Апатиты.
© С. В. Баранов, А. Н. Виноградов, 2010
- Сейсмическая группа (Seismic array)
Рис. 1. Батиметрия морского дна в районе пролива Стур-фиорд и желоба Зюйдкапп, архипелаг Шпицберген и сейсмическая группа 8Р1, данные который использовались в исследовании.
78°00'
77°30'
77°00'
76°30'
176°00?
Рис. 2. Левая карта — землетрясения с магнитудой Mw > = 5, произошедшие за период с 1976 по 2009 гг. в районе Шпицбергена (1 —сейсмическая группа ЯРІ, 2 — район исследования — пролив Стур-фиорд). Правая карта— землетрясения с ML > 2, произошедшие в исследуемом районе с 21.02.2008 по 10.04.2010.
После землетрясения 2003 г. в районе в течение 6 лет наблюдалось затишье, которое закончилось 21 февраля в 02ь:46/:17.41// иТ, когда произошло землетрясение с магнитудой = 6,1 — сильнейшее за всю столетнюю историю сейсмического мониторинга в Западной Арктике. Макросейсмический эффект этого события описан в работе [5].
После главного толчка в течение 2008 г. было зарегистрировано более 3000 афтер-шоков с ML > 1. Вплоть до настоящего времени (март 2010 г.) сейсмическая активность в Стур-фиорде не опустилась до фонового уровня.
Афтершоковые серии такой длительности во внутриплитовых обстановках достаточно редки. Наиболее изученный пример их в пределах Западно-Европейской платформы описан в Богемии (Чехия). В 1994 г. здесь было зарегистрировано приблизительно 500 землетрясений с ML < 2,2 [6]; в 1997 г.—более чем 1600 землетрясений с магнитудами меньше 3 [7]; в 2000 г.—несколько тысяч землетрясений с магнитудами меньше 3,3 [8].
Значительно чаще такие процессы происходят в зонах трансформных разломов. Например, в Южной Калифорнии (США) в 1975 г. в течение 8 дней наблюдался рой из 264 землетрясений [9] с магнитудами меньше 4,7. В том же самом месте в 2005 г. сейсмичность была выше фонового значения в течение 3 дней (максимальная магнитуда 5,9) [10]. В 2000 г. в районе Галапагосских островов в течение 12 часов произошло более 1000 землетрясений с магнитудами меньше 5,9 [11].
2. Локализация афтершоковой области и выделение последовательности афтершоков
Для локализации афтершоковой области землетрясения 21.02.2008 с Mw = 6,1 было отобрано 19 афтершоков с магнитудами ML больше 3 и определены их координаты методом минимизации невязки времени в очаге. В результате афтершоковая область землетрясения 21.02.2008 в Стур-фиорде локализована в районе, ограниченном окружностью радиусом 50 км (см. рис. 2) с координатами центра 77,1° с.ш. и 19,5° в. д. [5].
Интенсивность афтершокового процесса, инициированного главным толчком, в первые дни достигала более 950 событий в сутки. Очевидно, что обработка такого объема данных невозможна без соответствующей автоматизации. Для обнаружения и локации землетрясений в исследуемой области была применена система автоматического детектирования и локации сейсмических событий (ИDL) по данным норвежской сейсмической группы SPI [12]. К настоящему времени обработаны данные за 01.01.2008-10.03.2010 г. Предварительные результаты приведены в работе [13].
Полученный каталог содержит данные о положении эпицентров, времени в очаге и энергетические параметры 45667 событий с магнитудами ML от -1,2 до 6,1 (магнитуда основного толчка), произошедших в афтершоковой области. Статистические параметры: средняя магнитуда: 0,08, стандартное отклонение 0,59. На рис. 3 приведена гистограмма магнитуд обнаруженных афтершоков. Закон Гуттенберга—Рихтера [14], утверждает, что меньшей магнитуде должно соответствовать большее количество событий. Следовательно, полученный каталог является представительным лишь для магнитуд ML > —0, 2 (см. рис. 3). Каталог с ML > —0, 2 (29405 событий) использован для анализа пространственно-временной структуры афтершоковой серии и очагового роя Стур-фиорда.
8000 7000 6000 g 5000 | 4000 §
w 3000 2000 1000 0
Th-L-
0,15
s o,io-
о SC
0,05-
6
ML
T~h-L_
6
ML
Рис. 3. Гистограмма магнитуд сейсмических событий из афтершоковой области, обнаруженных и обработанных системой UDL за период с 21.02.2008 г. по 10.04.2010 г.
3. Анализ последовательности афтершоков землетрясения 21.02.2008 г.
Традиционно всплески сейсмической активности подразделяются на два основных типа. Первый тип — основной толчок — афтершоки (mainshock-aftershock) и характеризуется наличием материнского события максимальной магнитуды, после которого количество сейсмических событий (афтершоков) на некоторой площади становится больше фонового. Второй тип — рои землетрясений (earthquake swarm)—характеризуется тем, что событие с максимальной магнитудой происходит через некоторое время после превышения количества землетрясений над фоновым значением. В регионах с магматической интрузией и повышенным выделением CO2 рои землетрясений связываются с процессами перемещения флюидов, которые изменяют поле напряжений и инициируют сейсмичность [15]. Такой механизм был обнаружен и была предложена соответствующая физическая модель при изучении роев землетрясений в Богемии [16].
На рис.4(а) приведены магнитуды сейсмических событий, произошедших в афтершоковой области по дням, начиная с 01.01.2008 г. Четко проявляется увеличение сейсмичности после основного толчка 21.02.2008 г. Это факт свидетельствует, что наблюдаемый всплеск сейсмической активности относится к типу основной толчок — афтер-шоки. Для однозначного определения типа требуется обработка данных за вторую половину 2007 г.
Традиционно процесс афтершоковой активности подчиняется закону Омори [17] и задается соотношением [18]:
n(t) = К ' , (1)
w (t + с)Р ’ v ’
где t —время, прошедшее после основного толчка; n(t) — скорость уменьшения количества афтершоков в момент времени t; K, c, p — положительные постоянные, которые должны быть определены из конкретных данных. Количество афтершоков N(t), произошедших к моменту времени t, задается интегрированием выражения (1) на интервале от 0 до t.
300 400
Время (дни)
Рис. 4. Развитие афтершокового процесса в проливе Стур-фиорд. (а) —магнитуды землетрясений по дням года, начиная с 01.01.2008 г.; (б) —кумулятивное количество сейсмических событий по дням года. Ноль на горизонтальных осях соответствует времени основного точка 21.02.2008 г. 02ь:46/ :17.41// UT.
350 400
Время, дни
Рис. 5. Закон Омори (1) для землетрясений с ML > 2 из афтершоковой области (время отсчитывается от времени основного толчка 21.02.2008 г. 02ь :46/ :17.41" ИХ; серыми кружками показаны фактические данные; пунктир — модельная кривая). Оценки параметров с 95% доверительным интервалом: К = 34, 5 ± 2,45; с = 0, 006 ± 0, 004; р = 0, 8 ± 0, 02; ошибка аппроксимации — 5%.
На рис.4(б) показано суммарное количество афтершоков по дням года (Ж(£)), начиная с момента основного толчка (£ = 0), произошедших в рассматриваемой области. Обращает внимание изменение характера выпуклости кумулятивной кривой (см. рис. 4(б)) в районе 150-го дня. Очевидно, что данная кривая не соответствует закону Омори ни при каких значениях параметров в формуле (1), поскольку вторая производная N"(1) = и'(1) всегда отрицательна.
Путем пошагового увеличения нижнего порога магнитуд рассматриваемых событий было установлено, что кривая суммарного количества афтершоков не меняет выпуклости и, следовательно, должна соответствовать закону Омори, для значений магнитуды МЪ > 2. Подбор параметров закона Омори (1) выполняется методом максимального правдоподобия (подробнее см. [19, с.480-481]). В результате получились следующие оценки параметров (с 5% доверительным интервалом): К = 34, 5 ± 2,45; с = 0,006 ± 0,004; р = 0, 8 ± 0,02; ошибка аппроксимации — 5% (рис. 5).
Установлено, что для афтершоков с магнитудами ML > 2 закон Омори выполняется, а для афтершоков с меньшими магнитудами — не выполняется.
4. Гипотеза и модель сейсмичности в заливе Стур-фиорд
Можно указать две причины, почему закон Омори не выполняется для всех событий из афтершоковой области. Первая причина. Омори предложил свой закон в 1894 г. [17]. В оригинальной формулировке закона отсутствовал показатель степени (р в (1)). Впоследствии было показано, что авторская формулировка не описывает многие аф-тершоковые последовательности. Т. Утсу в 1961 г. в [18] модифицировал закон Омори и показал, что выражение (1) лучше соответствует фактическим данным. И Утсу и Омо-ри работали с данными аналоговой регистрации и можно предположить, что события с малыми магнитудами просто не учитывались при анализе.
Вторая причина. Омори и его модификация (1) были разработаны при статистическом анализе пространственно-временной структуры землетрясений тектонической природы со сдвиго-сбросовым механизмом генерации очагов в западно-тихоокеанском субдукционном поясе. Если афтершоки имеют не только тектоническую природу, то их серии не будут подчиняться закону Омори. Такие процессы лучше описываются ETAS-моделью [20, 21], которая особенно подходит для анализа роев сложной природы, когда тектонические эффекты сочетаются с разрядкой полей напряжений, вызванных вариациями флюидного режима коры. Примером такой тектоно-флюидной серии служит рой мелкофокусных землетрясений в Богемии, где тектонические подвижки по разломам вызвали ряд сильных толчков, нарушивших в нижних этажах кристаллического фундамента платформы дренажные системы восходящего потока мантийных флюидов, что привело к периодическому накоплению и неоднократной взрывной разгрузке флюидных резервуаров, отразившихся в общей картине сейсмичности в виде серии слабых землетрясений [6, 7, 16].
По аналогии можно предположить, что и в Стур-фиорде афтершоки с ML > 2 имеют тектоническую природу, а не укладывающиеся в закон Омори толчки с ML < 2 обусловлены нарушениями флюидного режима в осадочном покрове морского дна. Принятие этой гипотезы позволяет предложить две модели активных сейсмогенных процессов в Стур-фиорде. Мелкофокусное тектоническое землетрясение 21.02.2008 г. с М¥ = 6,1 имело сдвиго-сбросовый механизм и инициировало в эпицентральной области «встряску» поверхностных слоев морского дна с интенсивностью 9-10 баллов по шкале МСК-64, что привело к нарушению установившегося за годы покоя флюдо-динамиче-
ского равновесия в осадочной толще морского дна в Стур-фиорде. Далее возможны два варианта развития событий.
Первый вариант аналогичен богемскому: флюиды поднимаются из мантии к поверхности, восстанавливая заново нарушенную дренажную систему за счет изменения локальных полей напряжений. Процесс развивается по механизму самоорганизации и сопровождается формированием на разных глубинах насыщенных флюидами временных резервуаров с аномально повышенным давлением, приводящим к периодическому взламыванию плохо проницаемой кровли в те моменты, когда ее механическая прочность снижается вследствие диффузионной флюидизации. Этот сценарий допускает наличие под афтершоковой областью разрастающегося в мантийном этаже магматического очага с повышенным флюидосодержанием, за счет которого в ближайшем будущем в Стур-фиорде может сформироваться вулканический комплекс, подобный голоценовому вулкану Сверре на северном побережье острова Западный Шпицберген [22]. Проверочными критериями для этого предположения могут стать данные о повышенном тепловом потоке в афтершоковом ареале, высокое отношение изотопов Не3/Не4 в газовых струях, прорывающихся сквозь осадочную толщу дна, а также выявление глубинных гипоцентров землетрясений (глубже 30 км).
Второй возможный механизм развития афтершоковой серии основан на предположении, что начальный мощный толчок 21.02.2008 г. вызвал разрушение кристаллических структур в слое газовых гидратов, залегающих на Шпицбергенском участке шельфа на малых глубинах (порядка 100-300 м от поверхности дна), практически повсеместно. Газогидраты представляют собой хрупкую конструкцию, в которой матрица из игольчатых кристаллов льда, как губка, насыщена конденсированным метановым флюидом. Устойчива эта матрица в узком диапазоне температур и давлений при полном отсутствии стресса, поэтому при самых незначительных изменениях напряженного состояния осадочного покрова или термодинамического поля в придонном слое происходит локальное разрушение газогидратных блоков с увеличением их объема в 160-200 раз и образованием под глинистыми покрышками четвертичных осадков газовых пузырей с аномально высоким давлением [23, 24]. При прорыве пузырей и струй к поверхности на дне моря формируются многочисленные покмарки и поля грязевых вулканов, крупнейшие из которых на Шпицбергенско-Медвежьинском сегменте шельфа достигают в поперечнике 1 км [23, 25]. Логично предположить, что в эпицентральной области Стур-фиордского землетрясения массовое разрушение кристаллического скелета газогидратов должно было охватить всю эпицентральную область. В этом случае процесс разгрузки метана, высвобождаемого из газогидратов в виде газовой фазы, также должен развиваться по механизму самоорганизации, поскольку при прекращении механического воздействия в тех участках дна, где параметры температуры и давления не выходят за пределы поля устойчивости газогидратов, должна вновь начаться кристаллизация водно-метановой твердой фазы. Процесс может повторяться многократно в пульсирующем ритме: разрушение газогидратного блока вследствие тектонического землетрясения — формирование газового пузыря — прорыв газа к поверхности с образованием грифонов и грязевых вулканов — залечивание канала новообразованной газогидратной пробкой и новый цикл под воздействием очередного землетрясения тектонической природы. В отличие от первого сценария, в этом варианте будут доминировать малоглубинные очаги землетрясений, в газовых выбросах захваченный из осадков гелий будет иметь «радиогенную» изотопную метку, а над самозакупорива-ющимися каналами будут возникать временные отрицательные аномалии теплового потока вследствие эндотермичности процесса кристаллизации газогидратов.
Подчеркнем, что приведенные два варианта развития афтершокового процесса в проливе Стур-фиорд не являются взаимоисключающими. Повышенный тепловой поток в афтершоковой области так же способен инициировать разрушение слоя газогидратов
и, фактически, привести ко второму сценарию. Косвенным подтверждением комбинации этих двух сценариев является работа коллектива авторов [26]. В работе сообщается об аномальном тепловом потоке, наблюдаемом в северной части Свальбардской плиты на расстоянии около 300 км от Стур-фиорда.
5. Заключение
В работе рассмотрена сейсмическая активность района пролива Стур-фиорд (архипелаг Шпицберген). Показано, что закон убывания количества афтершоков (закон Омори) выполняется для событий с магнитудами ML > 2 и не выполняется для событий с меньшими магнитудами. Для объяснения этого факта была выдвинута гипотеза о связи сейсмичности в районе Стур-фиорда с нарушением флюидного режима в осадочном покрове морского дна. Принятие этой гипотезы позволяет предложить две модели развития активных сейсмогенных процессов в Стур-фиорде. Первый вариант: флюиды поднимаются из мантии к поверхности и вызывают изменения локальных полей напряжений, инициируя тем самым сейсмические события. Второй вариант связан с разрушением слоя газовых гидратов и образованием под глинистыми покрышками четвертичных осадков газовых пузырей с аномально высоким давлением. При прорыве последних формируются покмарки и поля грязевых вулканов (обнаруженные во фиордах Шпицбергена), которые вызывают слабые сейсмические события. Для выработки механизма сейсмической активности пролива Стур-фиорд необходимо провести измерения теплового потока и отношения изотопов Не3/Не4.
Очевидно, что афтершоковый ареал Стур-фиордского землетрясения 2008 г. заслуживает дальнейшего комплексного исследования, которое даст возможность проверить предложенные модели и тем самым пролить свет на характер современных процессов деструкции континентальной коры на границе Карско-Баренцевоморской платформы с областью молодого океанообразования в Норвежско-Гренландском и Евразийском бассейнах.
Литература
1. Шипилов Э. В. Тектоника осадочного чехла и фундамента северо-запада Баренцевомор-ской континентальной окраины (шельф архипелага Шпицберген) // Комплексные исследования природы Шпицбергена, Апатиты: изд. КНЦ РАН. 2002. С. 86-100.
2. Bungum H., Mitchell B. J., Kristofferson Y., Concentrated earthquake zones in Svalbard // Tectonophysics. 1982. Vol. 82. P. 175-188.
3. Панасаенко Г. Д., Кременецкая Е.О., Аранович З. И. Землетрясения Шпицбергена. Москва, 1987, 83 с.
4. Mitchell B. J., Chan W. W. Characteristics of Earthquakes in the Heerland Seismic Zone of Eastern Spitsbergen // Polarfotshung. 1978. Vol. 48(1/2). P. 31-40.
5. Баранов С. В., Асминг В. Э., Виноградов А. Н. Землетрясение 21.02.2008 г. в Стур-фиор-де, архипелаг Шпицберген // Материалы. Всерос. конф. «Северные территории России: проблемы и перспективы развития», 23-26 июня 2008 г. Архангельск: Ин-т эколог. проблем Севера Уро РАН, 2008. С. 77-80.
6. Weise S. M., Brauer K., Kampf H., Strauch G., Koch U. Transport of mantle volatiles through the crust traced by seismically release fluids: a natural experiment in the earthquake swarm area Vogland/NW Bohemia, Central Europe // Tectonophysics. 2001. Vol. 336. P. 137-150.
7. Spichak A., Horalek J. Possible role of fluids in the process of earthquake swarm generation in West Bohemia/Vogland seismoactive region // Tectonophysics. 2001. Vol. 336. P. 151-161.
8. Fischer T., Horalek J., Slip-generated patterns of swarm microearthquakes from West Bohemia/Vogtland (central Europe): Evidence of their triggering mechanism? // Journal of Geophysical Research. Vol. 110. 2005.
9. Johnson C. E., Hadley D. M. Tectonic implications of the Brawley earthquake swarm, Imperial Valley, California, January 1975 // Bull. seism. Soc. Am. 1976. Vol. 66. P. 1133-1144.
10. Lohman R. B., McGuire J. J. Earthquake swarms driven by aseismic creep in the Salton Trough, California // Journal of Geophysical Research. 2007. Vol. 112.
11. Dziewonski A. M., Ekstrom G., Maternovskaya N. N.. 2 Centroid moment tensor solutions for October-December 2000 // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2003. Vol. 136. P. 145163.
12. Асминг В. Э., Федоров А. В. Об одном новом подходе к обработке данных сейсмической группы // Международная научно-техническая конференция «Наука и образование-2010», Мурманск секция «Геофизические процессы в Арктике», CD. В печати.
13. Фёдоров А. В., Асминг В. Э., Евтюгина З. А. Первые результаты обработки данных по сейсмическому процессу в зоне Стур-фиорд, архипелаг Шпицберген // Международная научно-техническая конференция «Наука и образование-2010, Мурманск секция Геофизические процессы в Арктике». CD. В печати.
14. Gutenberg B., Richter C. F. Frequency of earthquakes in California // Bull. Seism. Soc. Am., 1944. Vol. 34. P. 185-188.
15. Roland E., McGuire J. J. Earthquake swarms on transform faults. Geophys. J. Int. 2009. Vol. 178. P. 1677-1690.
16. Hainzl S., Ogata Y. Detecting fluid signals in seismicity data through statistical earthquake modeling // Journal of Geophysical Research. 2005. Vol. 110.
17. Omori F. On the aftershocks of earthquakes // Journal of the College of Science, Imperial University of Tokyo. 1894. Vol. 7. P. 111-216.
18. Utsu T. A statistical study on the occurrence of aftershocks // Geoph. Magazine. 1961. Vol. 30. P. 521-605.
19. Wyss М., Shimazaki K., Akihiko Ito A. Seismicity patterns, their statistical significance and physical meaning. Birkhдuser Basel. 1999. P. 723.
20. Ogata Y., Statistical models of point occurrences and residual analysis for point processes // J. Am. Stat. Assoc., 1988. Vol. 83. P. 9-27.
21. Ogata Y., Fast likelihood computation of epidemic type aftershock sequence model, Geophysical Research Letters. 1993. Vol. 20. I. 19. P. 2143-2146.
22. Евдокимов А. Н. Вулканы Шпицбергена. СПб.: ВНИИОкеангеология. 2000. 123 с.
23. Judd A., Hovland M. Seabed fluid flow. The impact on geology, biology, and the marine environment. Cambridge University Press. 2007. 476 p.
24. Дмитриевский А. Н., Баланюк И. Е. Газогидраты морей и океанов — источник углеводородов будущего. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2009. 416 с.
25. Forwick M., Baeten N. J., Vorren T. O. Pockmarks in Spitsbergen fjords // Norwegian Journal of Geology. 2009. Vol. 89. P. 65-77.
26. Хуторской М.Д., Леонов Ю.Г., Ермаков А. В., Ахмедзянов В. Р. Аномальный тепловой поток и природа желобов в северной части Свальбардской плиты // ДАН, 2009. Том 424, №2. С. 227-233.
Статья поступила в редакцию 23 июня 2010 г.
