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.