НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ АФТЕРШОКОВОГО ПРОЦЕССА ЧУЙСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

А.А.Еманов, Е.В.Лескова

Алтае-Саянский филиал Геофизической Службы СО РАН, Россия, 630090, Новосибирск, просп. Ак. Коптюга, 3, тел. +73832305266, факс +73832301261, alex@gs.nsc.ru, katya@gs.nsc.ru

Введение

Данная работа посвящена переобработке данных регистрации Чуйского землетрясения и его афтершоков с использованием алгоритмов, не входящих в обязательную обработку при составлении каталога сейсмических событий. Исследованию афтершокового процесса Чуйского землетрясения посвящено уже много работ [6, 9], и при этом еще нет детальных сведений обо всем процессе. В рамках этой работы с помощью современных подходов мы уточняем данные, которые были представлены в работе [6].

До сих пор вся стандартная обработка была рассчитана на редкую сеть региональных наблюдений. С появлением более плотной сети станций "Алтайского сейсмологического полигона" [7] стало возможным применять методики, позволяющие получать более точные решения при локальных, полигонных наблюдениях. В этой работе для обработки сейсмологических данных Алтая мы пытаемся применять новые методы, которые позволяют по-новому увидеть пространственную структуру афтершокового процесса Чуйского землетрясения.

В вычислениях положений гипоцентров одним из очень важных параметров является скоростная модель. Именно благодаря скоростной модели мы можем вычислять время пробега волн и расстояние от очага до сейсмологической станции. При этом несоответствие действительности предполагаемой скоростной модели вносит, пожалуй, самую большую ошибку в вычисления координат сейсмических событий. Для того чтобы получить более точные решения, мы используем два подхода. В первую очередь, при вычислениях гипоцентральных решений мы вводим уточненную скоростную модель. Это позволяет получить более точные абсолютные решения. Затем мы используем метод двойных разностей, который вообще не очень чувствителен к модели. Метод двойных разностей дает очень точное относительное решение, которое мы привязываем, сравнивая с уже имеющимся абсолютным.

В рамках данной работы мы выполнили гипоцентральные решения с использованием скоростной модели, полученной по данным сейсмической томографии, и для некоторых из этих них, в том числе для крупнейших событий этой активизации, построили фокальные механизмы. Также, переопределили положения сейсмических событий методом двойных разностей, показав, что полученные положения эпицентров выстраиваются в системы линейных цепочек, положение которых согласуется с рельефом и геологическими представлениями, располагаясь вдоль главного и оперяющих разломов.


Гипоцентральные решения с использованием многослойной скоростной модели

В стандартной обработке землетрясений в региональном центре, ориентированной на разряженную сеть сейсмологических станций, рассчитываются только эпицентральные решения с фиксированной глубиной 15 км. Решения делаются с простой скоростной моделью с постоянными скоростями VP=6,1, VS=3,5 в коре, и VPn=8,1 и VSn в мантии. При разряженной сети, на больших расстояниях такой модели вполне достаточно, тогда как для локального участка Алтайского Сейсмологического Полигона можно использовать более точную модель, предполагая, что она не меняется на территории полигона.

Мы представляем гипоцентральные решения, которые были сделаны программой HYPOINVERSE 2000 [4] с использованием скоростной модели, полученной по данным сейсмической томографии [8]. Такая методика применяется впервые для определения гипоцентров в Алтае-Саянском регионе. Стоит отметить, что геология Алтае-Саянского региона очень разнообразна, поэтому одномерная слоистая модель, использованная в расчете, достоверна только для района главного события и афтершокового процесса. На таблице 1 показана скоростная модель для продольных волн. Для поперечных волн скоростная модель получалась с использованием отношения VP/VS=1,74. Поскольку почти все станции, участвовавшие в обработке, были выставлены на выходах коренных пород, в первом слое модели берется скорость кристаллического фундамента и не принимается во внимание скорость в осадочном слое. Модель построена до границы Мохоровичича, а на границе (55км) указана скорость головной волны. Таким образом, мы строим модель, которая учитывает головную волну, но не учитывает волны, проходящие через мантию.

Табица 1

Скоростная модель для продольных волн (Соловьев и др.)


Слой N Глубина (км) Скорость VP (км/сек)
1 0.0 - 3.0 6.0
2 3.0 - 6.0 6.25
3 6.0 - 9.0 6.3
4 9.0 - 15.0 6.35
5 15.0 - 20.0 6.4
6 20.0 - 30.0 6.55
7 30.0 - 40.0 6.75
8 40.0 - 55.0 6.75
9 > 55.0 8.1

Заметим, что и для P и для S волн мы использовали только первые вступления волн, интерпретация того, является ли волна прямой или рефрагированной (головной), полностью зависит от скоростной модели. У методики, которая используется в стандартной обработке, в этом смысле есть некоторое преимущество: она использует как прямые, так и головные волны. Это преимущество проявляется при редкой региональной сети станций, где для сейсмического события большинство станций находится на расстоянии, на котором появляется головная волна, но в условиях "Алтайского сейсмологического полигона" и плотной сети станций эпицентральных наблюдений оно не существенно.

В алгоритме использованной программы HYPOINVERSE заложена достаточно "умная" система взвешивания. При расчетах сначала вычисляется грубое приближение решения с использованием всех данных и фиксированной глубиной, затем оно начинает итеративно уточняться. При достижении точного эпицентрального решения глубина освобождается и начинается определение глубины. В процессе вычислений на заданной итерации включается фильтрация и взвешивание данных по двум параметрам: по невязке и расстоянию. При взвешивании по невязке из расчетов удаляются наблюдения, на которых разность наблюденного и теоретического (вычисленного с помощью модели) времен пробега превышает некоторую величину, обычно 0,16 секунды, а остальным данным присваиваются веса в зависимости от невязки. Такое взвешивание зачастую уточняет решение, отбрасывая некачественные данные, но при этом возможна ситуация, когда одно плохое наблюдение может стянуть решение к неверному результату, поэтому необходимо контролировать качество решения. При взвешивании по расстоянию на определенной итерации удаляются из вычислений наблюдения на станциях, находящихся дальше определенного расстояния от эпицентра, а остальные данные взвешиваются. В качестве отсекающего расстояния мы обычно использовали 50 километров, только в некоторых случаях увеличивали, чтобы захватить большее число станций. Такое взвешивание гарантирует, что на последних итерациях при определении положения гипоцентра будут использоваться только близкие станции, при этом далекие станции не смогут внести ошибку обусловленную, в первую очередь, несоответствием модели на больших расстояниях от эпицентральной зоны.


Рис. 1 Карта эпицентров афтершоков Чуйского землетрясения и фокальные механизмы. Положение эпицентров определялось с использованием скоростной модели по данным сейсмической томографии.


На рис. 1. показана карта рассчитанных положений эпицентров Чуйского землетрясения с помощь этого метода. На карте также представлена структура блокоразделяющих разломов по Новикову, впервые представленная в работе [6].

Для сравнения мы показали на рис. 2.A положения эпицентров, которые определялись стандартной методикой и на рис. 2.B положения эпицентров, полученные с использованием скоростной модели. Хорошо видно, как переопределенные события группируются в некоторую структуру, тогда как начальные определения представляют линейно вытянутое собой облако.


Рис. 2. Сравнение разных методик определения координат землетрясений.

A)Стандартная обработка РИОЦ.
B)Определения координат с использованием скоростной модели, полученной по данным сейсмической томографии.
C)Переопределения координат эпицентров по данным сейсмической томографии.


При построении фокального механизма программой FPFIT сравнивается наблюденная полярность на каждой станции, участвующей в определении механизма очага, с рассчитанной полярностью для каждой модели источника из набора. Далее рассчитывается минимум функции расхождения, который и берется за решение плоскости разлома. Решение приводится в виде параметров плоскости разлома (угол простирания, падения и подвижки) и положения осей главных напряжений (азимут и угол наклона). В таблице 2 приведены эпицентральные решения и параметры фокальных механизмов.

Табица 2

Параметры гипоцентральных решений и фокальных механизмов крупнейших событий активизации.


Оси главных напряжений Нодальные плоскости Центр
T P NP1 NP2
Pl Azm Pl Azm Stk Dp Slip Stk Dp Slip
14 271 0 181 47 80 10 315 80 170 АСОМСЭ СО РАН
13 275 10 8 52 74 2 321 88 164 ИОЦ ГС РАН
10 262 18 356 38 70 -5 130 85 -160 NEIC
32 92 11 355 227 76 32 129 59 164 HARVARD

Принятые сокращения в таблице: АСОМСЭ СО РАН - Алтае-Саянская опытно-методическая сейсмологическая экспедиция СО РАН; ИОЦ ГС РАН - Информационно-обрабатывающий центр Геофизической службы РАН; NEIC - Национальный центр информации о землетрясениях Геологической службы США; HARVARD - Гарвардский центр (США).

Определение механизма главного толчка проводилось по 27 наблюдениям первых вступлений на различных станциях, ближайшая из которых находилась в 30 км от эпицентра. Три станции располагались в пределах 100 км от эпицентра. Погрешность положения плоскости разлома составила 3o для углов падения и подвижки, 5o для угла простирания. В таблице 3 приведены расчеты механизма главного толчка, полученные в разных центрах и различными методами [9]. Полученное нами решение (АСОМСЭ СО РАН) лучшим образом согласуется с решением, полученным ИОЦ ГС РАН. При этом следует отметить, что наше решение строилось большей частью по данным близких станций, тогда как все остальные были построены по данным удаленных, телесейсмических станций. Различие между этими результатами превышает точность наших измерений, мы считаем, что проведенное исследование уточняет данные, полученные в работе [9].


Табица 3


Рис.3. Переопределения методом двойных разностей, A) - карта с ближайшими станциями, B) - карта переопределения с горизонтальными погрешностями, C) и D) - две горизонтальных проекции с погрешностями определений.


На рис.3 представлены проекции нижних полусфер фокальных механизмов, построенных для отдельных событий. Для наглядности гипоцентры этих землетрясений обозначены синими кружками в зависимости от энергетического класса, эпицентры других событий - точками. Фокальные механизмы выделены для главного толчка и двух крупнейших афтершоков. Для них помимо энергетического класса, посчитанного АСОМСЭ СО РАН, приведены магнитуды по данным IRIS.

Четко видно, что по линии главного разлома вдоль Северо-Чуйского хребта фокальные механизмы показывают почти четко горизонтальный сдвиг, тогда как на обоих концах (юго-восточный и северо-западный) активизации механизмы изменяются и существенной становится вертикальная составляющая сдвига.


Переопределения гипоцентральных решений методом двойных разностей

Нами были выполнены переопределения положения сейсмических событий методом двойных разностей [1]. Идея этого метода состоит в предположении, что сейсмические волны от близкорасположенных источников проходят до регистрирующей станции примерно по одному пути. Таким образом, разность времен пробега волны от двух близких событий обуславливается разностью положения гипоцентров этих событий. Используя большое количество совместных наблюдений пары землетрясений, метод двойных разностей переопределяет взаимное положение этих событий. При этом параметр, который обычно вносит большую погрешность в решение из-за несоответствия модели, такой как время пробега волны от эпицентра до станции, практически сокращается.

В вычислениях участвовали только те события, которые имеют достаточное количество совместных наблюдений с соседними событиями, т.е. не менее 8 совместных наблюдений у каждой пары событий, находящихся в пределах 10 километров, таким образом, переопределялось взаимное положение двухсот событий. Из-за этого ограничения в обработку не попали события начала активизации, находящиеся вокруг Чаган-Узунского блока. Для переопределения использовались только данные каталога событий и времен вступлений, кросскорреляционные разности времен пробега сейсмических волн не использовались.

Метод двойных разностей дает очень точное относительное решение, то есть после переопределения взаимные положения событий устанавливаются очень точно, тогда как весь переопределяемый кластер может сдвинуться в сторону. Для того чтобы сделать привязку мы сравнили полученные данной методикой положения эпицентров с положениями, построенными HYPOINVERSE2000 (с использованием скоростной модели). На рис 2. представлены определения эпицентров на северо-западном фланге активизации, выполненные тремя разными методиками: стандартной методикой, методикой с использованием скоростной модели по данным сейсмической томографии и методом двойных разностей. На этой иллюстрации видно, как улучшается точность полученного решения, и как начинают вырисовываться линейные структуры.

Итак, полученные методом двойных разностей положения эпицентров выстраиваются линейно (рис.3), причем эта линейность согласуется с рельефом и геологическими представлениями. На другом масштабе (рис. 3A) очень хорошо видна S-образная зона, которая огибает Северо-Чуйский хребет и загибается вдоль Чаган-Узунского блока.

Линейные структуры также хорошо видны и на вертикальных проекциях. Линии на рис. 3D, вдоль которых группируются переопределенные события, вероятно являются плоскостями разломов, вдоль которых происходят подвижки, а на рис. 3C могут быть как оперяющими разломами, так и распространением скольжения вдоль главного разлома.

При рассмотрении полученных положений гипоцентров следует учитывать, что представленная выборка не является полной, и в дальнейшем, последующая обработка проявит и другие детали протекания афтершокового процесса, которые не могут быть замечены сейчас.


Заключение

Главное событие произошло между Cеверо-Чуйским хребтом и Чаган-Узунским блоком. В первый день после начала активизации сейсмичность группировалась вокруг Чагун-Узунского блока [10]. Можно предположить, что в это время происходил проворот этого блока, зажатого между Cеверо-Чуйским и Курайским хребтом. Проворачиваясь, Чаган-Узунский блок одним краем надвигается на Курайскую впадину. На рис. 1. видно, что внутри Курайской впадины вдоль Чаган-Узунского блока образуется небольшая линейная структура.

В последующие дни наибольшее количество толчков происходило вдоль Cеверо-Чуйского хребта. В этом месте работала протяженная линейная зона, причем вдоль этой линейной зоны не меняются фокальные механизмы. На северо-западном окончании зоны активизации проходит граница трех блоков и изгибается на север активизированный разлом, который проходит между Курайской впадиной и северо-Чуйским горным массивом. В этом месте начинает проявляться уже мелкая блоковая структура. Эта структура хорошо видна в серии линейных зон на рис 2С. Также наличие этой структуры подтверждается изменением фокальных механизмов. В этом месте направленное движение, которое имеет место в центральной части активизации, начинает ослабевать и переходит из горизонтального сдвига в серию вертикальных. Можно предположить, что изменение фокальных механизмов на противоположном, юго-восточном окончании зоны активизации, также свидетельствуют об ослабевании напряжений и проявлении мелкой блоковой структуры.

Литература

  1. Waldhauser, F., and W.L. Ellsworth, A double-difference earthquake location algorithm: Method and application to the Hayward Fault, California, Bull. Seism. Soc. Am., 90, 1353-1368, 2000.
  2. Waldhauser, F., and W.L. Ellsworth, Fault structure and mechanics of the Hayward Fault, California, from double-difference earthquake locations, J. Geophys. Res., 2001.
  3. Waldhauser, F., HypoDD: A computer program to compute double-difference hypocenter locations, U.S. Geol. Surv. Open-File Rep., 01-113, 25pp., 2001.
  4. Fred W. Klein, 04/2002, User's Guide to HYPOINVERSE-2000, a Fortran Program to Solve for Earthquake Locations and Magnitudes, U.S. Geol. Surv. Open-File Rep. 02-171, version 1.0.
  5. Reasenberg, P. A., and D. Oppenheimer, 1985, FPFIT, FPPLOT, and FPPAGE: Fortran computer programs for calculating and displaying earthquake fault-plane solutions, U.S. Geol. Surv. Open-File Rep. 85-739.
  6. Гольдин С.В., Селезнёв В.С., Еманов А.Ф., Филина А.Г., Еманов А.А., Новиков И.С., Гибшер А.С., Высоцкий Е.М., Агатова А.Р., Дядьков П.Г., Фатеев А.В., Кашун В.Н., Подкорытова В.Г., Лескова Е.В., Янкайтис В.В., Ярыгина М.А. Чуйское землетрясение 2003 года (М=7.5) // Электронный научно-информационный журнал "Вестник отделения наук о Земле РАН" N 1(21) 2003.URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/screp-7.pdf
  7. Еманов А.Ф., Колесников Ю.И., Селезнев В.С., Еманов А.А., Филина А.Г., Фатеев А.В., Подкорытова В.Г., Болдырев М.А., Кабанник А.В, Корабельщиков Д.Г., Лескова Е.В., Янкайтис В.В., Ярыгина М.А., Алтайский сейсмологический полигон: начальный этап становления и первые результаты, Проблемы сейсмологии III-го тысячелетия: Материалы междунар. геофиз. конф., г. Новосибирск, 15 - 19 сент. 2003г. Новосибирск, Издательство СО РАН, 2003.
  8. Соловьев В.М., Селезнев В.С., Дучков А.Д., Лисейкин А.В., Деформационно-прочностное районирование земной коры Алтае-Саянской складчатой области, Проблемы сейсмологии III-го тысячелетия: Материалы междунар. геофиз. конф., г. Новосибирск, 15 - 19 сент. 2003г. Новосибирск, Издательство СО РАН, 2003.
  9. Старовойт О.Е., Чепкунас Л.С., Габсатарова И.П., Параметры землетрясения 27 сентября 2003 года на Алтае по инструментальным данным// Электронный научно-информационный журнал "Вестник отделения наук о Земле РАН" N 1(21) 2003.URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/screp-6.pdf
  10. 10. Гольдин С.В., Селезнёв В.С., Еманов А.Ф., Филина А.Г., Еманов А.А., Новиков И.С., Высоцкий Е.М., Фатеев А.В., Колесников Ю.И., Подкорытова В.Г., Лескова Е.В., Ярыгина М.А., Чуйское землетрясение и его афтершоки// Доклады РАН.- 2004 Т.395, N 4 (в печати)