СЕЙСМОТОМОГРАФИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ В РАЙОНЕ ЧУЙСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ ПО ДАННЫМ ОТ АФТЕРШОКОВ

1 А.В.Лисейкин, 2 В.С.Селезнев, 1 В.М.Соловьев

1Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, Россия, 630090, Новосибирск, Коптюга 3.
2Геофизическая служба СО РАН, Россия, 630090, Новосибирск, Коптюга 3.

Эпицентральная зона Чуйского землетрясения, произошедшего 27 сентября 2003 г. на юге Республики Алтай, располагается в южной части Алтае-Саянской складчатой области в районе Северо-Чуйского хребта, Чуйской, Курайской межгорных впадин и разделяющего их Чаган-Узунского приподнятого блока (рис.1). По данным предыдущих исследований [1], зона находится в районе с повышенной сейсмической активностью. С августа 2002г. в этой части Алтае-Саянского региона действует локальная сеть станций Алтайского сейсмологического полигона [2, 3]. После землетрясения в этом районе была развернута сеть дополнительных временных сейсмологических станций, на которой в течение двух месяцев были зарегистрированы многочисленные афтершоки. Плотность сети временных станций позволила определять параметры гипоцентров с высокой точностью, что дало предпосылки к изучению трехмерного строения земной коры по сейсмологическим данным с использованием томографических методов.

Имеющиеся на настоящий момент сведения о глубинном строении Алтае-Саянской складчатой области получены в основном по данным малодетальных работ ГСЗ [4], являются региональными и не охватывают эпицентральную зону землетрясения. Кроме профильных работ, имеются также региональные сведения о глубинном строении центральной части Алтае-Саянского региона, полученные по данным площадной сети сейсмологических станций [5]. В то же время, для понимания механизмов образования землетрясения и протекания афтершоковых процессов, необходимы детальные геофизические сведения о строении земной коры в гипоцентральной зоне и, прежде всего, сведения о распределении скоростей P- и S-волн.

По совокупности данных региональных профильных работ и площадных сейсмологических исследований, была построена сводная зависимость скоростей P- и S-волн от глубины в земной коре в районе эпицентральной зоны Чуйского землетрясения (рис.2). Данная модель была использована для определения параметров гипоцентров афтершоков (Еманов А.А., Лескова Е.В.).

Для изучения строения верхней части земной коры в этом районе были собраны все обработанные на настоящий момент данные по прямым P- и S-волнам от афтершоков Чуйского землетрясения с сети временных и постоянных сейсмостанций. Высоты сейсмостанций и глубины гипоцентров были приведены к общему относительному уровню в 2200 м. В интерпретации использовалось около 300 событий с энергетическими классами K>7, в основном с глубинами от 0 до 15 км. Количество лучей, секущих исследуемую область составило около 1700 для P- и 1500 для S-волн. С учетом особенностей системы наблюдений, количества лучей, ошибок в исходных данных и др., было установлено, что детальность томографических построений должна быть не мельче, чем 15-20 км по латерали и 5 км по глубине.


Рис.1. Схема наблюдений в районе эпицентральной зоны Чуйского землетрясения.
1- эпицентры Чуйского землетрясения (крупный кружок) и его афтершоков по данным Еманова А.А., Лесковой Е.В; 2- сейсмологические станции; 3- район исследований; 4- линия профиля; 5- разломы по данным ГИН РАН [2].



Рис.2. Сводная зависимость пластовых скоростей P- и S-волн с глубиной в земной коре в районе эпицентральной зоны Чуйского землетрясения по данным [4,5].


Для интерпретации данных была использована методика лучевой сейсмической томографии на временных задержках, подробно изложенная в [6]. Основные принципы интерпретации заключаются в следующем. Исследуемая область среды разбивается на блоки с постоянной скоростью, которая задается согласно априорной референтной модели; лучи аппроксимируются ломанными; времена пробега являются суммой времен по всем сегментам этой ломанной. По этим суммам составляется система линейных уравнений, в правой части которой стоят невязки между наблюденными временами и теоретическими, рассчитанными по референтной модели. Решением системы является распределение невязок скоростей к исходной модели среды. При неточном задании референтной модели траектории лучей будут неверными и в этом случае необходимо применять итеративную процедуру: каждую восстановленную модель использовать в качестве референтной с последующим расчетом лучей, постепенно приближая систему к реальным условиям. В данной работе авторами были использованы следующие соображения, позволившие упростить решение обратной задачи с применением методики сейсмической томографии.

С использованием сводных зависимостей скоростей от глубины была рассчитана прямая задача для рефрагированных и прямолинейных лучей. На удалениях до 60 км расхождение годографа прямой и рефрагированной волны при различных глубинах источников составляет не более 0.02 с, расхождения траекторий лучей при этом не превышают 2 км. С другой стороны, величина ошибок в исходных данных, связанная с неточностью определения параметров гипоцентров землетрясений, в данном районе может составлять до 0.1-0.2с во временах и до 2-3 км в глубинах. Размеры скоростных блоков, выбранные исходя из детальности наблюдений, составляют 5 км по глубине и 15-20 км по латерали. Исходя из этого, было сделано предположение, что в данных условиях на удалениях до 60 км траектории лучей P- и S-волн можно считать практически прямолинейными, что существенным образом упростило решение обратной сейсмотомографической задачи.

Для обоснования выбранной методики томографической интерпретации сейсмологических данных было произведено несколько теоретических расчетов по восстановлению трехмерно-неоднородных скоростных моделей среды. Система наблюдений соответствовала реальному расположению сейсмостанций эпицентральной зоны и распределению гипоцентров афтершоков. Размеры восстанавливаемых скоростных блоков составляли 20 км по латерали и 5 км по глубине. Результаты расчетов показали, что для данной системы наблюдений при ожидаемых ошибках в исходных данных скоростные аномалии, расположенные на глубинах от 0 до 10 км, восстанавливаются с погрешностями не более 0.1 км/c. Для больших глубин в 10-15 км модель среды восстанавливается несколько хуже, с ошибками 0.15-0.2 км/c. Это связано с влиянием ошибок в исходных данных, связанных, прежде всего с неточным определением гипоцентров афтершоков.

Интерпретация экспериментальных данных проводилась двумя способами. В первом способе проводилась двумерная интерпретация в рамках выделенной профильной рассечки, простирающейся вдоль Северо-Чуйского хребта и состоящей из афтершоков, расположенных практически линейно вдоль разломов и 4-х приемных сейсмических станций (рис.1). Во втором способе по совокупности всех данных времен пробега P- и S-волн от афтершоков с площадной сети станций проводилась трехмерная интерпретация.

Длина выделенного профиля составила около 90 км, ширина с учетом разброса эпицентров составила около 15 км. Было отобрано свыше 500 лучей P- и 400 S-волн от гипоцентров на удалениях до 60 км, по которым строились годографы, приведенные к общему пункту приема, с сортировкой источников по глубине. Пример экспериментального годографа продольной волны, зарегистрированного на сейсмостанции "Чибит" (CHT) от источников на глубинах 10-15 км приведен на рис.3а. По построенным годографам проводилась отбраковка некачественных данных, связанных, очевидно, с плохой точностью определения в отдельных случаях времен в очаге t0 и координат гипоцентров. Оставшиеся данные затем были использованы в качестве исходных времен для интерпретации способами сейсмической томографии. Размеры восстанавливаемых скоростных блоков составили 5 км по глубине и 15 км по профилю. В качестве референтной модели среды была использована одномерная зависимость скоростей P- и S-волн с глубиной, описанная выше. В результате интерпретации было получено двумерное распределение скоростей P- и S-волн по разрезу длиной около 90 км и глубиной до 15 км (рис.3б) и распределение коэффициента Пуассона σ (рис.3в).


Рис.3. Результаты интерпретации сейсмологических данных по профилю в районе эпицентральной зоны Чуйского землетрясения.
а- экспериментальный (1) и теоретический (2) годографы от источников на глубине от 10 до 15 км; б- распределение скоростей продольных волн по профилю; в- распределение коэффициента Пуассона, 1- гипоцентр Чуйского землетрясения, 2- гипоцентры афтершоков с энергетическим классом K.


Как видно из рисунка, значения скоростей P-волн, в целом, по разрезу меняются от 5.9 км/с до 6.5 км/с. Выделяются зоны с пониженными значениями скоростей до 5.9-6.0 км/с в районе юго-западной части Курайской впадины, 6.1 км/с в пределах Чаган-Узунского блока и 6.0 км/c в районе Чуйской впадины в верхней части разреза для глубин от 0 до 5 км. На участке южной части Курайской впадины находится зона с повышенными значениями скорости до 6.2 км/c. На глубинном уровне от 5 до 10 км выделяется зона с пониженным значением скорости до 6.1 км/с в юго-западной части Курайской впадины, остальной участок разреза представлен скоростями в 6.3-6.4 км/c. В нижней части профиля (на глубинах 10-15 км) значения скоростей продольных волн составляют 6.4-6.5 км/с. Значения коэффициента Пуассона по разрезу меняются от 0.23 до 0.28. В верхней части земной коры до глубин 7-8 км выделяется блок с повышенным значением данного параметра до 0.27, который соответствует участку Курайской впадины. На глубинах с 8 до 12 км на этом участке находится переходная зона с понижением коэффициента Пуассона, значение которого на глубине около 15 км составляет 0.23. На участке Чаган-Узунского блока до глубины порядка 10 км наблюдается зона с пониженным значением коэффициента до 0.24, которая граничит снизу с блоком повышенных σ до 0.27. Участок Чуйской впадины характеризуется средними значениями коэффициента Пуассона в 0.25, лишь в юго-западной части ее на глубинах 5-10 км наблюдается зона с повышенным значением σ до 0.27.


Рис.4. Результаты интерпретации данных P-волн в верхней части земной коры эпицентральной зоны Чуйского землетрясения.
1- сейсмостанции, 2- разломы по данным ГИН РАН [2], 3- изолинии скорости в км/с.


По данным времен пробега P- и S-волн от афтершоков со всей площадной сети станций эпицентральной зоны была также проведена трехмерная интерпретация. Система наблюдений состояла из 12 станций и около 300 афтершоков (рис.1). Количество лучей, секущих исследуемую область и имеющих длину до 60 км, составило около 1300 для P- и 1000 для S-волн. В качестве референтной модели использовались сводная зависимость скоростей продольных и поперечных волн с глубиной для территории эпицентральной зоны Чуйского землетрясения, описанная выше. В результате интерпретации было получено распределение значений скоростей P- и S-волн в верхней части земной коры до глубины 15 км на площади 80х80 км и распределение коэффициентов Пуассона σ. Результаты представлены в виде распределений пластовых скоростей и коэффициентов по площади на глубинных уровнях 0-5 км, 5-10 км и 10-15 км.

Из рис.4 с данными интерпретации P-волн, видно, что значения скоростей в исследуемой области изменяются от 5.9 км/c до 6.4 км/c. Выделяется протяженная зона пониженных значений скоростей P-волн вдоль Северо-Чуйского хребта от 5.9-6.1 км/c в слое 0-5 км до 6.2 км/c в слое 5-10 км и до 6.3 км/c на глубинах 10-15 км. В центральной части Курайской впадины и Чаган-Узунского блока находится область с повышенными значениями скоростей продольных волн от 6.2 км/c до 6.3 км/c и 6.4 км/с на глубинных уровнях 0-5 км, 5-10 км и 10-15 км соответственно.

С использованием данных трехмерного распределения скоростей P- и S-волн в верхней части земной коры эпицентральной зоны построены распределения значений коэффициента Пуассона (рис.5). Как видно из рисунка, значения коэффициента в исследуемой области в целом меняются от 0.21 до 0.28. Выделяется протяженная зона с пониженными значениями σ до 0.21-0.23 в районе Северо-Чуйского хребта и юго-западной части Чаган-Узунского блока на глубинном уровне 0-5 км. Данная зона пониженных значений коэффициента Пуассона прослеживается и на других уровнях, со значениями σ =0.23-0.24 на глубинах 5-15 км. Район Курайской межгорной впадины характеризуется повышенными значениями σ до 0.26-0.27 на глубинах 0-10 км и средними значениями около 0.25 на глубинном уровне 10-15 км. В районе северо-восточной части Чаган-Узунского блока и примыкающего к нему западного окончания Чуйской межгорной впадины также находится зона с повышенными значениями коэффициента Пуассона до 0.27-0.28 и 0.26-0.27 на глубинах 0-5 км и 5-15 км соответственно.

Полученные трехмерные распределения значений скоростей P- и S-волн, а также коэффициента Пуассона, в верхней части земной коры практически неизученного ранее участка Алтае-Саянского региона в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения являются очень важным результатом. Несмотря на невысокую точность томографической интерпретации, связанную с особенностями системы наблюдений и ошибками в исходных данных, по построенным распределениям можно выделить основные особенности строения эпицентральной зоны Чуйского землетрясения. В эпицентральной зоне Чуйского землетрясения планируется установка дополнительной сети временных сейсмологических станций. Полученные распределения можно использовать в качестве первого приближения, которые затем будут уточнены после получения дополнительных сейсмологических данных. Кроме того, в исследуемом районе планируется провести дополнительные исследования по региональному сейсмическому профилю с использованием мощных вибрационных источников.


Рис.5. Распределение коэффициента Пуассона в верхней части земной коры эпицентральной зоны Чуйского землетрясения.
1- гипоцентр Чуйского землетрясения, 2- гипоцентры афтершоков с энергетическим классом K по данным Еманова А.А., Лесковой Е.В., 3- разломы по данным ГИН РАН [2], 4- изолинии коэффициента Пуассона.


Сформулируем основные выводы, являющиеся следствием полученных распределений. Верхняя часть земной коры эпицентральной зоны Чуйского землетрясения резко неоднородна по своим упругим свойствам как по латерали, так и по глубине. Приуроченность данных неоднородностей в большей мере к крупным тектоническим структурам, ограниченным глубинными разломами, позволяет рассматривать исследуемую среду как состоящую из блоков с различными упругими свойствами. На резких краевых границах этих блоков под влиянием тектонических воздействий можно ожидать возникновения подвижек и, как следствие, высвобождения упругой энергии в виде землетрясений и последующих афтершоков. Об этом свидетельствует факт линейного пространственного распределения эпицентров афтершоков Чуйского землетрясения вдоль разломов, отделяющих Курайскую и Чуйскую межгорные впадины, характеризующихся повышенными значениями коэффициента Пуассона от Северо-Чуйского хребта с пониженными значениями . Гипоцентр Чуйского землетрясения располагается также в переходной зоне указанного параметра. Кроме того, анализ пространственного распределения положительной аномалии Курайской впадины и примыкающей к ней с юга отрицательной аномалии Северо-Чуйского хребта показывает на то, что плоскость разлома, их разделяющего, скорее всего, имеет наклон в направлении на юго-запад. Использование полученной скоростной модели среды также позволяет повышать достоверность определения параметров гипоцентров землетрясений.

Литература

  1. Жалковский Н.Д., Кучай О.А., Мучная В.И. Сейсмичность и некоторые характеристики напряженного состояния земной коры Алтае-Саянской области. // Геология и геофизика, 1995, т.36, N10, с.20-30.
  2. Гольдин С.В., Селезнев В.С., Еманов А.Ф., Филина А.Г., Еманов А.А., Лескова Е.В. и др. Чуйское землетрясение и его афтершоки. // Доклады Академии Наук, 2004, т. 395, N4, с.1-4.
  3. Еманов А.Ф., Еманов А.А., Филина А.Г. и др. Пространственно-временной анализ сейсмичности Алтае-Саянской складчатой зоны. // Проблемы сейсмологии III-го тысячелетия: Материалы международной геофизической конференции, г. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003. - с. 73-86.
  4. Глубинные сейсмические исследования в Западной Сибири. М.: Наука, 1970, 128с.
  5. Соловьев В.М., Селезнев В.С., Жемчугова И.В., Лисейкин А.В. Глубинное строение Алтае-Саянского региона по данным площадных сейсмологических систем наблюдений. // Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий: Материалы междунар. геофиз. конф., 27-29 сентября, 2000 г., Новосибирск.
  6. Нолет Г. Сейсмическая томография. С приложениями в глобальной сейсмологии и разведочной геофизике. // Пер. с англ. Москва: Мир, 1990.