БОЙКО Елена Валерьевна ВРАЩЕНИЕ И

На правах рукописи
БОЙКО Елена Валерьевна
ВРАЩЕНИЕ И ДЕФОРМАЦИИ БЛОКОВ ЗЕМНОЙ
КОРЫ ПО ДАННЫМ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ
(БАЙКАЛЬСКИЙ РИФТ И ДАЛЬНИЙ ВОСТОК)
25.00.10 - геофизика, геофизические методы
поисков полезных ископаемых
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
НОВОСИБИРСК 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им.
А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО
РАН).
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук
Тимофеев Владимир Юрьевич.
Официальные оппоненты:
Мазуров Борис Тимофеевич,
доктор технических наук, профессор кафедры
высшей геодезии Сибирской государственной
геодезической академии;
Кучай Ольга Анатольевна,
кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник лаборатории
глубинных сейсмических исследований и
региональной сейсмики (ИНГГ СО РАН).
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки Институт земной коры
Сибирского отделения РАН, Иркутск.
Защита состоится 30 октября 2012 г. в 10.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 003.068.03 при Федеральном государственном
бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики
им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, в
конференц-зале.
Отзывы в 2 экземплярах, заверенные гербовой печатью организации,
просим направлять:
адрес: 630090, г. Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3;
факс: 8(383)333-25-13;
e-mail: NevedrovaNN@ipgg.sbras.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН.
Автореферат разослан 28 сентября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
к.г.-м.н., доцент
Н. Н. Неведрова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Объект исследования. Поля смещений и параметры вращения
тектонических плит, косейсмические смещения и деформации в зоне сильного
землетрясения, дислокационные модели землетрясений.
Актуальность. Изучение внутриплитных смещений и деформаций имеет
важное значение для понимания природы землетрясений, что является одной
из задач геофизики. Смещение Амурской тектонической плиты относительно
Евроазиатской и связанное с этим явлением раскрытие Байкальского рифта
ранее изучалось на основе геологической и сейсмологической информации
[Zonenshain & Savostin, 1981]. Появление и активное применение методов
космической геодезии позволило использовать результаты этих измерений для
получения количественных оценок современных скоростей смещений и
деформаций. Полученные параметры смещения пунктов на различных
континентах дают возможность построить модели движения плит на сфере,
оценить эффекты, связанные с сейсмическим процессом. В результатах GPS
измерений также отражаются эффекты раздвижения рифтовой впадины оз.
Байкал и особенности постсейсмических течений [Саньков и др., 1999, 2009;
Calais et al., 2002; Быков и др., 2009; Ашурков, 2011 а и б]. Оценка
косейсмических 3D смещений для землетрясений Байкальской рифтовой
системы (БРС) является сложной задачей и ранее не проводилась. Здесь
важной особенностью является обстановка растяжения-сдвига, что обусловило
наличие, наряду с горизонтальной, значимой вертикальной компоненты.
Результаты высокоточных измерений смещений и деформаций различными
методами на отдельном полигоне–обсерватории позволяют переходить к
построению модели явления, отражающей распределение напряжений,
смещений и деформаций земной коры в зоне влияния землетрясения. В
последние десятилетия данные о косейсмических смещениях получены
современными методами космической геодезии в различных районах мира
[Burgmann et al., 2001; Kogan et al., 2003; Calais et al., 2003, Стеблов, 2004;
Тимофеев, 2006, Прытков, 2008, Ардюков, 2009; Shestakov et al., 2010], но для
рифтовых зон информация отсутствует. Комплексное изучение вариаций
смещений и деформаций, позволяет решать ряд классических задач геофизики
- определение глубины разрыва, оценка деформаций, определение
сейсмического момента и магнитуды землетрясения.
Цель работы: установить закономерности распределения и природу
полей смещений и деформаций БРС и Приморского края, связанных с
сильным землетрясением и современными тектоническими силами.
Задачи работы: 1) определить параметры вращения Евроазиатской и
Амурской плит на основе экспериментальных GPS данных, полученных по
сетям БРС и Приморья; 2) уточнить параметры Култукского землетрясения
БРС (27.08.2008, М = 6.3), используя информацию о косейсмических
смещениях и деформациях.
Решение задач проводилось в несколько этапов:
1
1. Оценка современных моделей движения Евроазиатской плиты.
2. Определение положения границ Амурской плиты и предварительная
оценка параметров еe вращения, используя имеющуюся геологогеофизическую информацию.
3. Оценка параметров вращения Амурской плиты для современных эпох
на основе результатов GPS измерений в Приморье и Забайкалье.
4. Оценка скоростей деформаций для Центральной Азии, используя GPS
данные по постоянным станциям сети IGS.
5. Оценка скоростей деформаций в периоды сильных землетрясений БРС
(М>5.5), используя данные комплексных измерений на обсерватории Талая.
6. Определение поля 3–D смещений для эпохи Култукского
землетрясения в периоды перед, в момент землетрясения и после события.
7. Моделирование 3-D смещений перед и в момент землетрясения с
использованием упругой модели смещений.
8. Определение параметров очага землетрясения (подвижка по разрыву,
глубина разрыва и его протяженность, сейсмический момент и магнитуда
землетрясения), используя экспериментальные данные.
Высокая степень достоверности обеспечивается следующим:
Фактический материал представлен экспериментальными данными:
1. GPS данные постоянной станции NVSK за период 2000-2011 гг.
(Новосибирск, ИНГГ СО РАН, Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Бойко Е.В)
2. GPS данные 25 постоянных мировых станций международной
геодинамической сети IGS, предоставленные центром хранения и обработки
GPS данных SOPAC (США) и другими центрами.
3. Экспериментальные GPS данные, полученные при участии автора в
период ежегодных полевых экспедиций в Байкальский и Приморский
регионы, с 2000 г. по 2010 г. [Тимофеев и др., 2008 в и д; 2009].
4. Сейсмологическая информация, полученная по району БРС
Байкальским филиалом Геофизической службы СО РАН и в мировых центрах
обработки сейсмологической информации USGS и других, за период 1985 –
2010 гг.
Теоретическими основами решения научной задачи являются: теория
тектоники плит, модели движения плит Земли (NUVEL-NNR-1A, APKIM2000
и другие); теория преобразования координат из одной системы в другую;
теорема Эйлера для смещений на сфере; теория разломообразования
Андерсона; статическая задача теории упругости для разломов со смещением
по простиранию и по падению, при различных начальных и граничных
условиях (3D); аналитическое 3D-решение [Okada, 1985] со смещениями по
разрыву, теория приливной деформации Земли [Молоденский, 1984,
Мельхиор, 1968].
Основой исследования являются данные измерений, выполненных
высокоточной аппаратурой GPS, на пунктах, расположенных в Приморье и
БРС, с привлечением материалов сейсмологических и геологических
2
исследований; анализ GPS данных с применением алгоритма уравнивания сети
методом наименьших квадратов и метода Монте-Карло, оценка смещений
станций с помощью фильтра Кальмана; метод приливного анализа (Венцеля).
Экспериментальные данные были получены с помощью следующей
аппаратуры: 2 комплекта двухчастотных геодезических GPS-приемников
Trimble 4700, с накоплением до 20 суток в режиме статика, точность
определения координат точки на поверхности от 0.1 до 1 мм, лазерные и
штанговые деформографы, приливные кварцевые наклономеры и датчики
уровня воды с периодом накопления данных от 1 секунды до 1 часа.
Для обработки данных использовался набор программных средств:
RemoteController, Gpload, GPSurvey (Trimble software, 2000); Gamit/GLOBK
(King, 2000; T.Herring, 1995); программа обработки GPS данных BERNESE;
Matlab 7.0.1 R14 SP1 (The MathWorks Inc., 1984-2008); пакет обработки для
Matlab Coulomb 3.1.09 (Shinji Toda, Jian Lin, Ross Stein, Volkan Sevilgen, 2009);
пакет приливных программ (Wenzel 1994, 1996) с использованием ОС
Windows, Linux RedHat.
Защищаемые научные результаты:
1. Экспериментально, на основе GPS данных, полученных на СихотэАлиньском профиле и на западе Байкальской рифтовой системы, получены
параметры вращения Амурской плиты относительно Евразии для эпох 2006 и
2007 годов: координаты полюса Эйлера 57,3°N; 117,2°E; угловая скорость
0,3 мсек. дуги / год (0,085°/млн. лет). Анализ существующих оценок,
полученных геологическими и геофизическими методами, показал, что
наиболее достоверные значения параметров лежат в диапазоне 57÷59°N;
117÷122°E; 0,25-0,43 мсек. дуги / год (0,07÷0,12°/млн. лет).
2. Используя решение прямой задачи для дислокационной модели
землетрясений и экспериментальные данные для косейсмических смещений и
деформации при Култукском землетрясении, получены оценки параметров:
координаты эпицентра 51,59°N; 104,13°E; глубина (13 км); определены
характеристики сейсмического разрыва - левосторонний сдвиг со сбросовой
компонентой (смещение 0,4 м) субширотного простирания (азимут 101°N),
протяженностью 18 км, разрыв не выходит на поверхность.
Научная новизна и личный вклад. Автор постоянно участвует в
обеспечении непрерывной работы первой и единственной в Западной Сибири
базовой GPS станции NVSK (DOMES 12319M001) метрологического уровня в
Новосибирске, введенной в международную геодинамическую сеть
постоянных станций IGS с 2000 г. С привлечением данных этой станции
протестированы
известные
модели
плитного
вращения
Евразии.
Экспериментально построенные модели Евразии далее использованы для
определения смещений Амурской плиты относительно Евроазиатской. При
участии автора сделаны первые отечественные определения параметров
Амурской плиты на основе данных космической геодезии (2008 г.).
Выполнены измерения и интерпретация данных, полученных на
3
геодинамической GPS сети в Саянском и Байкальском регионах, на
сейсмостанции Талая (Байкальский регион) проведены многолетние
мониторинговые работы по измерениям деформаций. Здесь впервые
получены данные по 3D-смещениям и деформациям в эпоху перед
крупным землетрясением на южном Байкале (2000-2008 гг.), определены
значения 3D-скоростей (смещение на юг 0,2 мм в год, смещение на восток
1,5 мм в год и опускание со средней скоростью 1,5 мм в год). В результате
многолетних измерений получено значение скорости объeмной деформации в
период 2000-2006 гг. – 5·10-7 год-1, а далее, вплоть до Култукского
землетрясения, зарегистрировано растяжение со скоростью 7·10-7 год-1.
Впервые для БРС получено поле косейсмических смещений и
деформаций для области Култукского землетрясения (2008-2010 гг.).
Используя полученные косейсмические параметры и построив решение
прямой задачи для различных положений эпицентра, были определены:
координаты эпицентра, глубина и положение плоскости разрыва, направление
и величина смещения, магнитуда землетрясения. Деформации земной коры,
снятые при землетрясении в зоне до 30 км, достигают единиц на 10-6.
Научная и практическая значимость.
Представленные в диссертации результаты получены автором при
выполнении плановых НИР лаборатории физических проблем геофизики
№ 558 ИНГГ СО РАН в 2006-2011 гг.: по Проекту 25.1.2. «Геофизическая
модель литосферы Сибири, геофизический мониторинг и моделирование
геодинамических процессов»; по Проекту 7.11.1.2. «Геодинамические
факторы, влияющие на процессы разрушения в литосфере; их теоретические
модели и эксперименты»; по Проекту VII.64.1.2 «Современные деформации и
смещения земной коры, сейсмичность, модели диссипации и разрушения»; по
Междисциплинарным Интеграционным проектам СО РАН №№ 27, 87, 116
(2006-2008 гг.); проекту РФФИ № 07-05-00077; по Междисциплинарному
интеграционному проекту СО РАН № 44 «Взаимодействие коры и мантии
внутриконтинентальных областей Азии по данным геолого-геофизических
исследований и математического моделирования»; по Программе
фундаментальных исследований Президиума РАН, проекту 16.8 «Эволюция
состояния среды в областях современных сейсмических активизаций юга
Сибири по данным комплексного геофизического мониторинга»; по
Программе РАН ОНЗ-6, Проекту 2 «Геодинамические исследования в области
сочленения Евроазиатской и Северо-Американской плиты».
При участии автора для пунктов Сихотэ-Алиньской геодинамической
сети Приморья (юг Хабаровского края – север Приморского края) впервые
получены значения координат и скоростей на основе данных GPS наблюдений.
Эти результаты служат метрологической основой для развития геодезических
сетей и геофизических исследований на Дальнем Востоке России. Полученные
результаты используются для построения моделей смещений Амурской плиты,
определения типа деформирования еe восточной и западной границ, развития
4
теории прогноза землетрясений, структурных исследований земной коры.
Полученные значения косейсмических смещений и деформаций для южной
части БРС важны для развития теории очага землетрясения, изучения
сейсмического процесса в регионе и служат предпосылками для поиска
предвестников землетрясений.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты исследований неоднократно докладывались на
российских и международных конференциях: «Геодинамическая эволюция
литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к
континенту)», Иркутск, 2007; «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о
Земле. К 40-летию создания М. В. Гзовским лаборатории тектонофизики в
ИФЗ РАН», Москва, 2008, «New Challenges in Earth’s Geodynamics» (ETS2008), Jena, Germany, «Asian-Pacific Space Geodynamics» Project (APSG- 2008,
2009, 2010) Новосибирск, Урумчи, Шанхай; ГЕО-СИБИРЬ-2007, 2008, 2009,
2010, 2011, Новосибирск; XLI Тектоническое совещание, 2008, Москва;
«Трофимуковские чтения», 2008, 2009, 2010, Новосибирск; «Современная
тектонофизика. Методы и результаты» 2009, 2011, Москва, «Проблемы
сейсмичности и современной геодинамики Дальнего Востока и Восточной
Сибири», Хабаровск, 2010.
Результаты неоднократно обсуждались на заседаниях лаборатории
физических проблем геофизики Института нефтегазовой геологии и геофизики
СО РАН.
По теме диссертации автором опубликовано 36 работ, в том числе 7 в
рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из 3 глав, введения и заключения, общим объемом
176 страниц, содержит 22 таблицы и 69 рисунков. Список литературы
включает 177 наименований.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность за
постоянное внимание и всестороннюю поддержку
своему научному
руководителю, д.ф.-м.н. В.Ю. Тимофееву, а также к.ф.-м.н. Д.Г. Ардюкову за
многочисленные обсуждения и рекомендации при выполнении работы; д.т.н.
И.Н. Ельцову за постоянное участие и стимулирование процесса подготовки
диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность, сформулированы цель и задачи
исследования, защищаемые положения и результаты, показана научная
новизна и практическая значимость работы.
В первой главе речь идет о современном состоянии теории тектоники
плит и дается описание современных спутниковых методов измерений
смещений. Согласно современным представлениям внешняя оболочка Земли
состоит из нескольких жестких литосферных плит, которые движутся друг
относительно друга. Скорости абсолютного (относительно центра масс Земли)
5
и относительного движения плит составляют от миллиметров до нескольких
сантиметров в год. Большая часть всех происходящих на планете
землетрясений, вулканических извержений и горообразовательных процессов
происходит в области межплитных границ. Литосфера сложена относительно
холодными и жесткими породами, а плиты, двигаясь по поверхности Земли,
почти не деформируются.
Согласно построениям Эйлера для описания движения плит на сфере
достаточно определить положение полюса вращения плиты и еe угловую
скорость. При этом геоцентрические вектора вращения могут быть
представлены либо в географических координатах, либо в декартовых. Для
определения скоростей горизонтальных смещений отдельного пункта с
географическими координатами φ и λ (°) или с декартовыми координатами x,
y, z используются следующие соотношения:
∂φ/∂t = R·Ω cos (Φ)sin (λ-Λ)
(1)
∂λ/∂t = R·Ω[sin (Φ) – cos (λ-Λ)tan (φ) cos (Φ)]
dx/dt = ωy·z - ωz·y
dy/dt = ωz·x - ωx·z
(2)
dz/dt = ωx·y - ωy·x
где Φ, Λ, Ω координаты полюса вращения плиты и еe скорость, R – радиус
Земли, dφ/dt и dλ/dt или dx/dt, dy/dt и dz/dt в представлены в мм/год.
Первые модели относительной мгновенной кинематики плит были
построены по геологическим и геофизическим данным (линейные скорости
раздвижения плит в рифтовых зонах, относительные смещения на разломах,
азимуты трансформных разломов и т.д.). Самые известные на сегодняшний
день модели тектоники плит - это модель NUVELL-1 (в различных вариациях)
и модель APKIM 2000. В 1990 г. Де Метс, Гордон и Аргус в своей статье
опубликовали рассчитанную ими геолого-геофизическую модель - NUVEL-1
(модель с фиксированной Тихоокеанской плитой). Модель была рассчитана
для 14 жестких плит. А в 1994 г. они рассчитали и опубликовали геологогеофизическую модель NNR-NUVEL-1А. Параметры относительной
кинематики вычислялись для 16 плит [Argus D.F., 1991; De Mets C. et. al., 1990,
1994].
В
1998 г.
появилась
кинематическая
модель
Германа Древеса - APKIM 2000, построенная по данным методов космической
геодезии VLBI, GPS, SLR. Расчеты проведены для 12 плит [Drewes H., 1998,
2009].
Обычно, как первый шаг в исследованиях, используются модели NNRNUVEL-1A и APKIM2000, которые далее уточняются, используя данные для
конкретной эпохи наблюдений. Методы космической геодезии на территории
России пока представлены крайне редкими сетями наблюдений для отдельных
эпох. Развитие и использование этих методов в геофизике является важной
задачей.
Во второй главе рассматриваются модели вращения Евразии и Амурской
плит. Внутриплитные смещения, как в зонах сильных землетрясений, так и для
6
отдельных тектонических плит, разумней изучать, имея максимально точную
модель смещения глобальной плиты. Следует отметить, что в центральной и
южной частях Азии развиваются активные тектонические процессы,
отражающиеся в современных катастрофических землетрясениях. Учитывая
это, при анализе данных по югу Сибири и Дальнего Востока, не брались в
расчeт данные по станциям, расположенным на юге континента и на севере - в
зоне вечной мерзлоты. Фактически рассматривались экспериментальные
результаты сети IGS для станций ARTU (Средний Урал), NVSK
(Новосибирск), KSTU (Красноярск) и IRKT (Иркутск), расположенных в
полосе широт 52÷56 градусов стабильной части Евразии. Данные по этим
станциям показали систематические отклонения (в 2 мм) от оценок по модели
NNR-NUVEL-1A и модели APKIM 2000.
Сихотэ-Алиньская геодинамическая сеть была заложена в августе 2003 г.,
насчитывает 6 пунктов. Ежегодные измерения проводились в октябре, начиная
с 2003 года. Широтный профиль пересекает систему Сихотэ-Алиня, при этом
базовая станция ZMEY расположена в 300 км к северу от профиля, в 60 км к
ЮВВ от г. Хабаровска. Сеть простирается от 45° до 48° широты и от 134° до
136° долготы. Обработка данных проводилась с помощью пакета
GAMIT/GLOBK, известного как обширный комплекс программ для анализа
GPS измерений и для изучения деформаций земной коры (Рис. 1).
Геодинамическая GPS сеть
Суточные GPS файлы
Глобальная GNSS сеть (IGS)
Дополнительные данные подготовленные
в научных центрах IGS, CODE, SOPAC,
JPL, CDDIS и других.
Предварительная GPS информация
Характеристики GPS оборудования и
другая дополнительная информация
Суточные GPS файлы
Внутренние дополнительные данные - EPH-,
ERP-, H-, ION-, TRP-, BLQ-, PCV-файлы и т.д.
Внешние дополнительные данные - INFO-,
ABB-, STA-, VEL-, SITTBL-файлы и т.д..
Программы (BERNESE, GAMIT/GLOBK)
• Определение параметров орбиты спутника, часов спутника и приёмника, ZTD и другое.
• Разрешение фазовых неоднозначностей и компонент базовых линий между региональной
геодинамической сетью и пунктами IGS
Определение суточных позиций для пунктов геодинамической сети и их матрицы ошибок
Реализация относительной системы для координат и скоростей (Свободная, ITRF или другая
система)
• Суточные координатные временные серии в предварительной
относительной системе и их ковариационные матрицы
• Комбинация суточных позиций и оценок скоростей пунктов
Рис. 1. Схема обработки данных космической геодезии с использованием результатов
измерений по локальным и глобальным GPS сетям.
7
Используя соотношения (1) для определения скоростей горизонтальных
смещений отдельного пункта с координатами φ и λ через модельные
параметры; координаты полюса и скорости вращения тектонической плиты
(Φ, Λ, Ω), составив систему уравнений, можно получить параметры полюса
вращения.
Опираясь
на
экспериментальные
результаты
четырех
континентальных станций юга Сибири и соотношения (1), была построена
модель Евразии AR-IR-2006 с параметрами 51.045°N, 255.842°E и
0.2423 градус/млн.лет (0.87228 мсек.дуги/год).
При изучении кинематики Амурской плиты и определении положения
полюса и скорости вращения используется геоцентрическое решение для 6-ти
станций Сихотэ-Алиньской сети (восточная часть плиты) и решение по 6-ти
станциям Забайкальской сети (западная часть плиты) [Лухнев и др., 2005].
В Таблицах 1-2 приведены данные об аномальных смещениях в
восточной и западной частях Амурской плиты. Учитывая решение для эпохи
2006 и 2007 года (Рис. 2) определены средние параметры полюса: 57.3°±0.5°N;
117.2°±0.5 E; 0.30±0.02 мсек. дуги / год (0.085°±0.006 º/млн.лет)).
TURK 52.97
108.24
HORN 52.12
109.15
ULAZ 51.82
107.62
UDUN 51.17
106.02
ULAB 47.86
107.05
KIAT 50.37
106.49
57.6°N, 117.1°E,
0.083°/ Млн.лет,
2006
EURA
ZME Y 48.10 135.59
MAL2 45.81 134.08
EAST 46.00 135.06
B URS 45.40
135.44
NEB O 45.11
135.82
PLST
136.31
44.73
57.0°N, 117.3°E,
0.088°/ Млн.лет,
2007
AMUR
ZME Y 48.10
MAL2 45.81
EAST 46.00
B URS 45.40
NEB O 45.11
PLST 44.73
KHAJ 48.32
ULAZ 51.82 107.62
UDUN 51.17 106.02
ULAB 47.86 107.05
135.59
134.08
135.06
135.44
135.82
136.31
135.03
Рис. 2. Положение полюса вращения Амурской плиты (AMUR) относительно Евразии
(EURA) по определениям на эпохи 2006 и 2008 годов; … - вариант границы Амурской
плиты;  - пункты Сихотэ-Алиньской GPS сети и их координаты;  – пункты
Забайкальской сети.
8
Таблица 1.
Горизонтальные смещения станций Сихотэ-Алиньской сети: по модельным расчeтам
(модель Евразии AR-IR-2006), по экспериментальным данным (решение по программе
GAMIT-GLOBK), разностные смещения (эксперимент – модель), мм/год.
Пункт
Широта
(º)
Долгота
(º)
Модель
AR-IR2006 (φ)
Модель
AR-IR2006 ()
Геоцентр1
()
Геоцентр1
()
Разность:
Геоц.1Модель ()
Разность:
Геоц.1Модель ()
ZMEY
MAL2
EAST
BURS
NEBO
PLST
Среднее
48.10
45.81
46.00
45.40
45.11
44.73
45.86
135.59
134.08
135.06
135.44
135.82
136.31
135.38
-14.63
-14.40
-14.55
-14.60
-14.66
-14.73
+20.40
+21.06
+20.85
+20.87
+20.85
+20.82
-13.1
-13.5
-15.6
-14.0
-12.6
-10.7
+21.7
+22.0
+20.8
+22.0
+21.2
+23.1
+1.53
+0.90
-1.05
+0.60
+2.06
+4.03
+1.380.6
+1.30
+0.94
-0.05
+1.13
+0.45
+2.28
+1.010.3
Таблица 2.
Скорости горизонтальных смещений пунктов юго-восточной части Байкальской сети,
включая пункт Улан-Батор [Лухнев и др., 2005] относительно Евразии.
Код пункта и период
измерений
TURK (1994-2002)
HORN (1999-2003)
ULAZ (1997-2004)
UDUN (1994-2003)
KIAT (1994-2003)
Среднее по 5 пунктам
ULAB (1994-2004)
Среднее по 6 пунктам
Широта
φº
Долгота
λº
52.970
52.121
51.815
51.171
50.373
51.69
47.865
51.05
108.243
109.153
107.622
106.015
106.494
107.51
107.052
107.43
Скорость
широтная
(мм/год)
+0.18±0.18
-1.34±0.52
-1.47±0.05
-1.07±0.14
-0.51±0.14
-0.84
-0.71±0.11
-0.82
Скорость
долготная
(мм/год)
+1.55±0.19
+1.15±0.72
+0.87±0.07
+2.69±0.17
+3.18±0.15
+1.89
+2.28±0.19
+1.95
Проведен анализ результатов, полученных по сейсмологическим,
геологическим, палеомагнитным и GPS данным для Забайкалья, Китая и
Монголии [Zonenshain and Savostin, 1981; Парфенов и др., 1987; Зоненшайн и
др., 1990; England and Molnar, 1997; Wei and Seno, 1998; Kosuke Heki et al.,
1999; Sella et al., 2002; Казанский, 2002; Kreemer et al., 2003; Calais et.al., 2003,
2007; Prawirodirdjo and Bock, 2004; Apel et al., 2006; Houtze Hsu et.al., 2006; Jin
et al., 2007; Метелкин и др., 2010; Altamimi et al., 2007; Shestakov et al., 2009;
Ашурков 2011 а и б], наиболее достоверные значения параметров полюса
лежат в диапазоне 57÷59°N; 117÷122ºE; 0,25÷0,43 мсек. дуги / год
(0,07÷0,12°/млн. лет).
Рассматривая ситуацию на границах Амурской плиты, отметим разный
характер современного состояния – на западе растяжение, а на востоке сжатие.
На Рис. 3 показаны скорости смещения пунктов по Сихотэ-Алиньской сети
относительно станции YSSK. Отметим, что эпоха 2003-2006 гг. позволяет
рассматривать полученные смещения, как предшествующие сильному
9
землетрясению (М = 6.2), случившемуся 2 августа 2007 г. в Татарском проливе
около г. Невельск. Зарегистрированное нами сжатие по линии восток-запад
соответствует сейсмологическим определениям. График скорости раскрытия
Байкальского рифта, построенный согласно модели Амурской плиты,
приведен на Рис. 3 а. Обстановка растяжения на этой границе порождает
землетрясения другого типа, особенности которых будут проиллюстрированы
на примере Култукского землетрясения 2008 года.
Рис. 3. Ситуация на границах Амурской плиты. а) Западная граница Амурской плиты.
Скорость раскрытия Байкальского рифта с севера на юг в мм, для точек с координатами:
51.6ºN и 103.6ºE; 52.0ºN и 105.2ºE; 52.2ºN и 106.5ºE; 52.6ºN и 108.0ºE; 54.0ºN и 110.0ºE;
55.0ºN и 110.0ºE; 56.0ºN и 111.0ºE. б) Восточная граница Амурской плиты. Смещение
пунктов Сихотэ-Алиньской сети относительно пункта Южно-Сахалинск (эта плита
зафиксирована, смещение нулевое). Сжатие в эпоху перед землетрясением в районе г.
Невельска М = 6.2, 02/08/2007. Смещение на о. Хонсю отражает деформацию,
предшествующую землетрясению 11.03.2011 г. М=9.0
Третья глава посвящена оценке скоростей деформаций и смещений в
эпоху крупного землетрясения на Южном Байкале.
Использование результатов GPS измерений, полученных на земной
поверхности, и моделей движения на сфере позволяет при известных
допущениях строить тензор деформации и оценивать скорость
деформирования больших регионов. Соотношения между деформациями
10
треугольника (E2┴E3) и значениями главных деформаций (Ex, Ey) представим
как:
E1=Ex·Cos2 φ +Ey·Sin2 φ
E2=Ex·Cos2 (α +φ)+Ey·Sin2 (α + φ)
(3)
2
2
E3=Ex·Sin (α +φ)+Ey·Cos (α +φ)
На Рис. 4 показаны значения скоростей деформирования для областей
центра Азии, полученные по данным GPS измерений в последние десятилетия.
Рис. 4. Скорости деформирования для центральной Азии по данным GPS измерений на
постоянных станциях сети IGS (1995-2010 гг.).
В последние годы по результатам GPS измерений БРС построено поле
скоростей деформаций БРС [Лухнев и др., 2010]. Так для юго-западной части
БРС (1996-2007 гг.), где расположена станция Талая, определeн сдвиговый
характер деформирования при значениях скоростей: 1 = +2.2·10-8 /год и 2 = 1.7·10-8 /год. Результаты GPS измерений можно сравнить с более
продолжительными измерениями деформаций в штольнях сейсмостанций
Талая (БРС) и Ала-Арча (Тянь-Шань).
На основе имеющихся данных по двум направлениям можно вычислить
величину
площадной,
объемной
и
вертикальной
деформации.
Ортогональность осей деформографов станции позволяет это делать для
изотропной среды. При таких расчeтах в работе были использованы
соотношения:
об.=23(с-ю + в-з);
верт.=-13(с-ю + в-з);
(4)
пл.=с-ю + в-з.
11
Высокоточные измерения различных видов деформаций и наклонов
начаты на этих сейсмостанциях в середине 80-х годов прошлого столетия
[Тимофеев и др., 1994, 2003]. Положение станций - Талая (51,68, 103,64)
(южнее Главного Саянского разлома - границы Сибирской платформы и БРС)
и Ала-Арча (42,64, 74,50) в районе Северного Тянь-Шаня - определяет
сложный характер локального деформирования. Проведение измерений
наклонов и деформаций на уровне 10-910-10 возможно только в штольнях при
заглублении пункта на 50 метров и более.
Ещe одним методом оценки деформаций на обсерваториях является
использование данных измерений уровня воды в скважинах. В целом,
сравнение результатов, полученных GPS и штольневыми методами, показало,
что значения скоростей меняются от 2·10-6 /год при базах 8÷25 метров до
7·10-9 /год на базах 1000÷1500 км. С увеличением длины временной серии
измерений, средняя скорость деформирования региона, зарегистрированная
различными системами, становится величиной порядка 10 -7÷10-8 в год и
отражает развитие сейсмического процесса региона. Последнее верно, как для
результатов по станции Ала-Арча, так и для байкальской станции. В период с
1993 г. по 2009 г. в 100-километровой зоне вокруг станции Талая произошло
несколько землетрясений магнитудой М > 5.5 (по Рихтеру): 29.06.1995 г. в
67 км от станции М = 5.7; 25.02.1999 г. в 86 км от станции М = 5.8 и, наконец,
27.08.2008 г. в 25 км от станции зарегистрировано Култукское землетрясения
М = 6.3.
Скорости горизонтальных смещений, относительно Сибирской
платформы [Calais et. al., 2003; Саньков, 2009], для пунктов Слюдянка, Култук
(1994-2007 гг.), и станции Талая (2000-2008 гг.) составляли 0.9÷1.5 мм на
восток. Полученная скорость оказалась меньше теоретической (1.7 мм,
Рис. 3 б), что говорит о блокировке разлома и подготовке землетрясения. Для
вертикальной составляющей в среднем за период 2000-2008 гг.
зарегистрировано опускание 1,5 мм в год, для отдельных периодов, например,
2000-2004 гг. получена скорость опускания 3 мм/год, а далее до землетрясения
фиксируется остановка вертикальных движений (Рис. 5 а и б). Для объeмной
деформации с 2000 года регистрируется растяжение, для наклонов - ход на
запад, при этом в 2006 году фиксируется торможение в ходе наклонов и
деформаций. В момент землетрясения все деформографические системы,
расположенные в штольне и в скважине, отметили резкий скачок величиной
1·10-6 (растяжение). Определения 3-D смещений проводились по данным GPS
измерений, полученным с 2000 по 2010 года. Обработка велась программами
GAMIT-GLOBK и GPSurvey. Получены косейсмические смещения величиной:
-2 ± 2 мм (N), +10 ± 2 мм (E), -15 ± 5 мм (V) (Рис. 5 в, г).
12
Рис. 5. а и б) Скорости смещения пункта Талая в период весна 2000 года – весна 2008 года.
(а : Vn = - 0.2 мм, Ve = 1.5 мм и Vh=-1.5 мм в год; Vh (2000-2004)=-3.0 мм/год, Vh (20052008)=0.0 мм/год). в и г) Косейсмические смещения по результатам вычислений разными
программами (Vn = -2 ± 2 мм (на юг), 10 ± 2 мм (на восток) и опускание 15 ± 5 мм).
Решение прямой задачи для определения полей смещений, деформации и
напряжений на поверхности при подвижке вдоль плоскости сейсмического
разрыва проводилось с использованием программы Coulomb 3.1 (S. Toda, R.
Stein, J. Lin, V. Sevilgen). В основе алгоритма лежат аналитические выражения,
полученные Okada [1985] для изотропного упругого полупространства. В
результате можно определить элементарную дислокацию U1, U2, U3,
связанную с горизонтальной, вертикальной или косой компонентой
произвольной дислокации по разрыву. Например, выражения для
элементарной дислокации горизонтального сдвига U1 для трeх компонент
смещения на поверхности можно записать как:
u 11= (F/4πμ) {(1/R) + (x1 - 1)2/R3 + [μ/(λ + μ)] [1/(R - 3) - (x1 - 1)2/R(R - 3)2]}
u 21= (F/4πμ)(x1 - 1) (x2 - 2) {1/R3 - [μ/(λ + μ)] [1/R(R - 3)2]}
(5)
1
3
u 3 = (F/4πμ)(x1 - 1) {-3/R - [μ/(λ + μ)] [1/R(R - 3)]}
13
Где  и  константы Ламе, u ij – i-я компонента смещения в точке (x1, x2, x3),
обусловленная силой F в точке (1, 2, 3) в j-ом направлении, для однородного
полупространства, R - расстояние.
В работе рассматривались 12 решений для положения эпицентра и
параметров очага. Эти данные были получены в отечественных и зарубежных
сейсмологических центрах (HRV, NEIC, GCNT, PDE, IPC GS RAS, BPIPC),
различия в положении эпицентра достигают 20 км, значение глубины
изменяются от 10 км до 23.5 км. Анализировались решения для
левостороннего и правостороннего растяжения-сдвига, а далее, используя
экспериментальные косейсмические параметры (дилатация – объeмная
деформация и 3-D смещения, полученные в результате землетрясения), были
уточнены параметры Култукского землетрясения, случившегося в 25 км от
станции Талая. Для этого многократно строилось решение прямой задачи и
методом перебора, выбирались параметры землетрясения: положение
эпицентра землетрясения, глубина, магнитуда, положение нодальной
плоскости и направление смещения по разрыву. Выбранное решение и
параметры землетрясения приведены на Рис. 6.
Рис. 6. а) Выбранные в результате анализа параметры Култукского землетрясения,
положение эпицентра и плоскости разрыва, б) и в) горизонтальные смещения, г), д), е)
распределение вертикальных смещений.
14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование современных методов измерений смещений по
геодинамическим сетям Дальнего Востока и Байкальского региона позволило
получить оценки скоростей смещений за год, а также оценить величины
косейсмических смещений. В итоге по результатам многолетних GPS
измерений, полученных на Сихотэ-Алиньском профиле и на западе
Байкальской рифтовой системы получены параметры вращения Амурской
плиты относительно Евроазиатской. Анализ существующих оценок,
выполненных сейсмологическим, геологическими и GPS методами, определил
диапазон наиболее достоверных значений координат полюса вращения по
широте 57÷59ºN; по долготе 117÷122º E и для скорости вращения 0,25 ÷
0,43 мсек.дуги / год (0,07÷0,12°/млн. лет).
Анализ скоростей деформирования, полученных на разных базах и
различными системами регистрации, показал, что значения меняются от 2·10 -6
/год при базах 8÷25 метров до 7·10-9 /год на базах 1000÷1500 км.
Исследования в сейсмоактивных областях центральной Азии – БРС и
северном Тянь-Шане – привели к заключению, что с увеличением длины
временной серии измерений средняя скорость деформирования региона,
зарегистрированная различными системами, становится величиной порядка
10-7 ÷10-8 в год. Периодические вариации многолетних изменений деформаций
и наклонов отражают вариации локального деформирования приразломных
зон. Долговременные изменения деформаций и смещений показывают тип
деформирования и отражают развитие сейсмического процесса региона.
Увеличение базы с сотен до тысяч километров меняет значения скорости
деформирования. Относительно небольшая величина скорости на базах
1000÷1500 км, свидетельствует о том, что области активных современных
процессов с землетрясениями магнитудой 6-7 по размерам не превышают
сотен километров. Возможно, появление зон подготовки землетрясений с
магнитудой 8 и более, проявится в увеличении значений скорости
деформирования на базах в 1000 километров.
Полученные при сильных землетрясениях (М > 6) косейсмические
изменения деформаций и смещений (до 15 мм в смещениях и 10-6 в
деформациях) позволяют тестировать дислокационные модели землетрясений,
что даeт дополнительную информацию для определения параметров сильных
землетрясений. Важным отличием нашего подхода является использование
наряду с горизонтальной также и вертикальной компоненты смещений на
отдельном пункте, что было обеспечено использованием специальной
технологии измерений и анализа.
Перспективы развития наших исследований связаны с развитием сетей
GPS наблюдений, включением в измерения системы ГЛОНАСС, комплексный
подход
в
измерениях
и
интерпретации
(включая
абсолютные
гравиметрические наблюдений наноуровня).
15
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Рецензируемые журналы по Перечню ВАК:
1. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Горнов П.Ю., Малышев Ю.Ф., Бойко Е.В.
Результаты анализа данных GPS измерений (2003-2006 гг.) на Дальнем Востоке по СихотэАлиньской сети. // Тихоокеанская геология. - Т. 27. - № 4. – 2008. - С. 39-49.
2. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Бойко Е.В. Современные движения Горного Алтая. //
Физическая мезомеханика. - Т. 12. - № 1. – 2009. - С. 45-55.
3. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Гранин Н.Г., Жданов А.А., Кучер К.М., Бойко Е.В.,
Тимофеев А.В. Деформация ледового покрова, приливные и собственные колебания уровня
озера Байкал. // Физическая мезомеханика. – Т. 13. – Спец. выпуск. - 2010. – С. 58-71.
4. Тимофеев В.Ю., Казанский А.Ю., Ардюков Д.Г., Метелкин Д.В., Горнов П.Ю.,
Шестаков Н.В., Бойко Е.В., Тимофеев А.В., Гильманова Г.З. О параметрах вращения
Сибирского домена и его восточного обрамления в различные геологические эпохи. //
Тихоокеанская геология. – Т. 30. - № 4. – 2011. - С. 21-31.
5. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Соловьев В.М., Шибаев С.В., Петров А.Ф.,
Горнов П.Ю., Шестаков Н.В., Бойко Е.В., Тимофеев А.В. Межплитные границы
Дальневосточного региона России по результатам GPS измерений, сейсморазведочных и
сейсмологических данных // Геология и геофизика. - Т. 53. - № 4. – 2012. – С. 489-507.
6. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Бойко Е.В., Тимофеев А.В., Ярошевич А.В.,
Горнов П.Ю. Об оценке косейсмической деформации, параметров пороупругости и
трещиноватости среды по данным уравнемерных наблюдений в скважине // Физика Земли.
– № 7 – 2012. – С. 89-102.
7. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Грибанова Е.И., Семибаламут В.М., Бойко Е.В.,
Тимофеев А.В., Ярошевич А.В. Скорости деформаций и смещения в эпоху сильного
землетрясения на Южном Байкале // Геология и геофизика. – Т. 53. - №8. – 2012. - С. 10401061.
Тезисы и Материалы российских и международных конференций:
8. Бойко Е.В., Ардюков Д.Г., Седусов Р.Г. Современные движения земной коры
Западно-Саянского региона. // Трофимуковские чтения-2008, Сборник трудов
всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых, Т. 2. –
Новосибирск: ИНГГ СО РАН, 2008. – С.181-183.
9. Бойко Е.В., Ардюков Д.Г., Седусов Р.Г. Скорости современных движений земной
коры Западно-Саянского региона. // Материалы XXIII Всероссийской молодежной
конференции. – Иркутск: ИЗК СО РАН, 2009. – С. 21-23.
10. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Соловьев В.М., Шибаев С.В., Петров А.Ф.,
Бойко Е.В., Тимофеев А.В. Современная геодинамика дальневосточного региона по
данным GPS измерений и сейсмологии. // ГЕО-СИБИРЬ-2010, т, 4, ч.1, СГГА. –
Новосибирск, 2010. – С. 88-92.
11. Timofeev V.Yu., Ardyukov D.G., Boyko E.V., Timofeev A.V., Gribanova E.I.,
Semibalamut V.M., Yaroshevitch A.V. Pre-, co- and post-seismic motion for South Baikal
earthquake zone (27/08/2008, M =6.1-6.3) by GPS and geophysical methods. // Program and
Abstracts. APSG Workshop 2010 on Progress in Space Geodesy and Earth Environment Change,
China. – Shanghai, 2010. – P. 23.
12. Тимофеев В.Ю., Ардюков Д.Г., Грибанова Е.И., Бойко Е.В., Тимофеев А.В.
Косейсмические и многолетние изменения деформации на Южном Байкале (по измерениям
штольневыми и GPS методами). // Современная тектонофизика. Методы и результаты,
материалы второй молодежной тектонофизической школы-семинара, ИФЗ РАН. Т.1 –
Москва, 2011. – С. 20-27.
16
Технический редактор Е.В.Бекренeва
Подписано в печать 24.09.2012
Формат 60х84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Таймс
Печ.л. 0,9. Тираж 130. Зак. № 78
ИНГГ СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3