Предварительный анализ перемещений станций GPS на Камчатке: скорости плит и геодезический предвестник землетрясения

4. В конце 1997 г. имело место существенное и достаточно надежно определенное изменение скорости на станции KLU. Подобное же изменение, похоже, имело место и для станций ESSO, BKI и KBG, но оно не зафиксировано с достаточной уверенностью. С другой стороны, подобных изменений для станции KMS не наблюдается. (Напомним, что все движения на рис.2 определены относительно станции PETP). Характер отмеченных вариаций наводит на мысль, что все они связаны с сильным землетрясением 5 декабря 1997 г. Предварительно их можно ассоциировать с изменением характера каплинга Тихоокеанской плиты относительно плит Охотия и Берингия. Другое возможное объяснение - это различие между скоростью деформации края плиты для случаев почти полностью релаксировавшей, эффективно-вязкой астеносферы (перед сильным землетрясением) и эффективно-упругой астеносферы (сразу после сильного землетрясения).

Косейсмический скачок

Векторы косейсмического скачка (табл.1) изображены на рис.3 (станция PETP использована в качестве фиксированной точки). На том же графике мы приводим теоретические перемещения, которые были вычислены для упругого полупространства, в котором помещен точечный источник с характеристиками, соответствующими Гарвардскому решению CMT для землетрясения 5.12.1997 (табл.3). Согласие полностью приемлемо. Так же изучалась альтернативная модель протяженного источника, который имитировался сеткой (11x3) точечных источников размером 150x50 км, причем точечные источники были идентичными, а их суммарный тензор совпадал с Гарвардским CMT. При этом протяженный источник располагался вдоль субдукционной нодальной плоскости (N1 в табл.3) землетрясения 05.12.1997, которая падает под Камчатку. Эту нодальную плоскость можно выбрать вполне надежно на основе гипоцентров афтершоков, определенных местной сейсмической сетью. Для этого варианта теоретического источника согласие ожидаемых и наблюденных перемещений несколько хуже, чем для точечного.

Пресейсмический сигнал

Как уже отмечалось, идентификация пресейсмического сигнала на графиках рис.6 не является вполне однозначной: для него нельзя усмотреть единой формы временной функции. Это, скорее всего, означает, что он порожден не единственным источником. Однако тот факт, что удается выделить аномалии с сопоставимой длительностью порядка 15 дней и общим монотонным характером на нескольких каналах, позволяет нам в предварительном порядке считать, что произошло конкретное деформационное событие. В табл.2 приведены амплитуды пресейсмического сигнала, которые были определены относительно надежно для случаев монотонного пресейсмического сигнала, а также для случаев импульсного пресейсмического сигнала с сопоставимой длительностью. Для канала TIG N мы используем амплитуду монотонного пресейсмического сигнала с длительностью порядка семи суток. Картина векторов смещений дана на рис.4. Видно, что хотя станции с большими амплитудами пресейсмического сигнала примерно те же самые, что и с большими косейсмическими амплитудами, ориентация векторов совершенно иная.

Чтобы провести предварительную интерпретацию этих данных, мы предположили, что перемещение вызвано "медленным"землетрясением с длительностью порядка 15 дней, расположенным в центре форшокового роя, у ССВ края очага основного толчка. Мы провели формальную инверсию данных об амплитудах, рассматривая их как статические перемещения от сдвигового источника общего вида в упругом полупространстве. Результирующий источник имеет моментную магнитуду Mw=7,7; его нормализованный тензор приведен в табл.3 и на рис. 4. Восстановленный тензор очень близок к двойному диполю, а его ось сжатия ориентирована, хотя и несколько косо, поперек конвергентной границы плит, в общем, согласии с преобладающим режимом напряжения. Что же касается различия между расчетными и наблюденными перемещениями, то они довольно велики; но для первого приближения мы сочли результат приемлемым.

Мы также пытались подогнать те же самые данные симметричным тензором сейсмического момента общего вида с взрывной или имплозивной компонентой. В этом случае, к сожалению, решение метода наименьших квадратов оказалось неустойчивым. Однако, ориентировка наблюденных векторов перемещения качественно противоречит возможности существования заметной эксплозивной или имплозивной компоненты. Таким образом, известная гипотеза зоны предвестниковой дилатансии не поддерживается данными. В другом варианте анализа мы попытались переместить единичный точечный источник ближе к станции ESSO, где наблюдались наибольшие перемещения. Полученные решения, однако, не дали улучшения остаточной ошибки. В целом, можно полагать, что получено разумное первое приближение для параметров масштаба и ориентации источника пресейсмического сигнала. Решение обратной задачи для его локализации, а также возможная интерпретация в виде набора нескольких точечных источников планируется на будущее.

Постсейсмический сигнал

Идентификация постсейсмического сигнала на графиках рис.6 намного более надежна, чем для пресейсмического сигнала. Она, в частности, упрощается хорошей корреляцией знаков косейсмического и постсейсмического сигналов. Можно сделать вывод о существовании общей временной функции постсейсмического сигнала - это приблизительно экспоненциально затухающая монотонная растянутая ступенька, которая становится ненаблюдаемой примерно через 18 дней после события; характерное время для этой экспоненты составляет около 6 дней. Это наводит на мысль, что источник данного сигнала - это вполне определенный единственный источник, который не может сильно отличаться по ориентации и положению от события 05.12.1997. Амплитуды постсейсмического сигнала приведены в табл.2, а также на рис.5. Следует отметить, что станции с большими амплитудами постсейсмического сигнала в основном те же самые, что и станции с большими косейсмическими скачками, и что ориентация этих векторов очень близка. Чтобы провести интерпретацию этих данных, были рассмотрены две возможности. В первом случае мы предположили, что косейсмическое скольжение в очаге землетрясения затем продолжалось как медленное событие с характерной длительностью порядка 15 дней. Было принято, что координаты очага медленного землетрясения находятся в центре афтершокового роя очага 05.12.1997 г. Была проведена формальная инверсия амплитудных данных, которые связывали со статическими перемещениями от сдвигового источника общего типа. Результирующий источник имеет моментную магнитуду Mw=7,9, (то есть его сейсмический момент существенно больше, чем момент "быстрого землетрясения"), а его нормализованный тензор приведен в табл.3. На рис.5 он также приведен, вместе с соответствующими теоретическими перемещениями. Можно отметить, что восстановленный тензор близок к тензору главного толчка, как и можно было ожидать, и что качество подгонки вычисленных векторов относительно наблюденных является вполне приемлемым. Разместив точечный источник в северной части афтершокового роя, можно еще несколько улучшить качество подгонки. Вторая рассмотренная возможность заключалась в том, что асейсмическое скольжение могло произойти на продолжении плоскости разрыва очага 05.12.1997 г. вниз или вверх по падению, то есть либо на глубинах 50-90 км под побережьем, либо, наоборот, на глубинах 10-25 км вблизи глубоководного желоба. Разместив точечные источники с такими параметрами, мы получили гораздо худшее качество подгонки, чем в первом случае.

Полный скачок смещений

Из-за приблизительного совпадения тензоров "быстрого"землетрясения и постсейсмического сигнала, ориентация тензора сейсмического момента, которая восстанавливается по полному скачку, близка к ним (табл.3). Полный сейсмический момент, связанный со всей последовательностью событий с 15.11.1997 г. по 25.12.1997 г., соответствует моментной магнитуде 8. Следует отметить, что сумма скалярных сейсмических моментов трех упомянутых тензоров не совпадает с величиной, которая была получена для полного скачка. Это различие вполне объяснимо невысокой точностью оценок скалярного сейсмического момента, а также несовпадением мест и ориентировок тензоров-"компонент". Несмотря на эту проблему, мы считаем полезным дать ориентировочную оценку вкладов трех упомянутых компонент в полный сейсмический момент. Главный вклад (~ 45-50 %) дает постсейсмический сигнал; косейсмическое движение составляет около 35-40 %, остальное приходится на пресейсмический сигнал.

Обсуждение и выводы

Непрерывные измерения деформации земной поверхности станциями GPS в 1997-1999 годах в 9 точках на полуострове Камчатка выявили относительные движения между Тихоокеанской, Североамериканской и Евроазиатской плитами. Приведенные на рис.1 непрерывные скорости перемещения после землетрясения для станции GPS относительно станции TIG, которая расположена в относительной глубине субплиты Охотия, (которая является частью крупномасштабной Евроазиатской плиты), могут быть объяснены как относительные перемещения плит Тихоокеанская, Североамериканская, Охотия и Берингия. Однако, эти результаты нельзя рассматривать как истинные долгосрочные скорости. Данные несколько более низкого качества о скоростях перед землетрясением наводят на мысль, что скорости до и после землетрясения различаются. В частности, в одном случае станции KLU это различие относительно хорошо установлено. Это может быть указанием на изменение уровня сцепления (каплинга), связанного с сильным землетрясением 05.12.1997 г. Скорость, по видимому, была несколько менее перед землетрясением, чем после него, в согласии с циклической моделью напряжений и скоростей перемещения в сильно сцепленных зонах субдукции [9]. Скорости перемещения вне зоны субдукции на границах между плитами Североамериканская и Охотия, по-видимому, не подверглись влиянию сильного землетрясения и держались на постоянном уровне (станция KMS). Следует отметить, что представленная кинематическая картина весьма предварительна. Относительные перемещения пар предположительно жестких плит оцениваются по перемещениям единичных пар станций и не могут быть подтверждены независимым образом. Кроме того, для плиты Берингия обе имеющиеся станции TIL и BKI размещены вблизи ее границ, что может искажать результат. Перемещения станций BKI, KBG, PETP и MA1 качественно согласуются с ожидаемыми на основе модели упругой реакции плиты на сцепление между плитами (каплинг).

Как показано в работах [9,5], скорость конвергенции плит, связанная с сильными землетрясениями, по-видимому, контролирует режим напряжений в зоне субдукции сцеплений и вокруг нее. Океаническая плита и континентальная литосфера упруго реагируют на вариации во времени напряжений и скоростей деформации, связанных с сейсмическим циклом. Противоречия между высокой скоростью в Алеутско-Аляскинской зоне субдукции вблизи острова Кадьяк [8] и пренебрежимо малыми деформациями в зоне островов Шумагина [7,6] объяснялись как высокая скорость деформации в начале сейсмического цикла, заданного Аляскинским землетрясением 1964 г., и низкой скоростью деформации в середине или поздней части цикла в случае зоны Шумагина. В нашем случае мы имеем данные о скоростях деформации для определенного участка плиты, и они показывают подобным же образом существенные изменения между концом одного межсейсмического периода и началом другого.

Косейсмические деформации, связанные с крупным субдукционным землетрясением (Mw=7,8), находятся в прекрасном согласии с теми значениями, которые получаются при вычислении по дислокационной модели, использующей опубликованное Гарвардское решение для тензора момента. Этот факт имеет важное значение: с одной стороны, он подтверждает надежность всей системы измерений и, особенно, вполне хорошую точность данных GPS, полученных в измерениях на коротких интервалах времени. С другой стороны, этот факт означает, что и само Гарвардское решение для тензора момента является надежной оценкой истинного сейсмического тензора момента очага землетрясения.

Выявленные пресейсмические движения являются необычно хорошо выраженными. Во-первых, они наблюдаются на заметном числе станций и компонент. Во-вторых, временные функции сигнала на различных станциях и компонентах и не являются вполне идентичными, тем не менее, имеют сопоставимые длительности и относительно простую однополярную или импульсообразную форму. В-третьих, их амплитуда весьма велика. В нашей весьма предварительной интерпретации они соответствуют одиночному медленному землетрясению типа двойного диполя с Mw=7,7. Если же провести интерпретацию более детально, то, по-видимому, этот источник можно расщепить на два или даже три и уточнить их положение. Однако, крайне невероятно, что суммарный сейсмический момент будет снижен более, чем в три раза. Интерпретация пресейсмического сигнала как точечного источника указывает, что источник типа двойного диполя для очага этого медленного процесса является относительно приемлемым. В то же время данные плохо согласуются с идеей существенной компоненты типа эксплозии/имплозии, например такой, которая предлагается известной моделью предвестниковой дилатансии. В целом, можно сказать, что нам посчастливилось наблюдать и, постфактум, идентифицировать истинный среднесрочный деформационный предвестник сильного землетрясения.

Постсейсмические движения, в общем, имеют гораздо более обыкновенный характер. Они хорошо соответствуют идее медленного крипового продолжения скольжения по площадке очага "быстрого"землетрясения с сохранением направления скольжения. Суммарное движение также очень велико и превышает величину для "быстрого" землетрясения. Предварительная проверка показывает, что маловероятен вариант интерпретации постсейсмического сигнала на основе идеи распространения процесса скольжения вдоль поверхности контакта плит наружу, за пределы площадки очага быстрого землетрясения, в направлениях вниз по падению либо вверх по падению.

Список литературы

Гусев А.А., Левина В.И., Салтыков В.А., Гордеев Е.И. Сильное Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 года: основные данные, сейсмичность очаговой зоны, механизм очага, макросейсмический эффект // Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 г. Предвестники, особенности, последствия. Петропавловск-Камчатский: КГАРФ, 1998. С. 32-54.

Гусев А.А., Павлов В.М. Предварительное определение параметров высокочастотного излучателя в очаге Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997 г. с М=7,5-7,7 // Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 г. Предвестники, особенности, последствия. Петропавловск-Камчатский: КГАРФ, 1998. C. 68-79.

Argus D.F., and M.B. Heflin. Plate motion and crustal deformation estimated with geodetic data from the Global Positioning System // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. P. 1973-1976.

DeMets C., Gordon R.G., Argus D.F, and Stein S. Effect of recent revisions to the geomagnetic reversal time scale on estimates of current plate motions // Geophys. Res. Lett.. 1994. V. 21. P. 2191-2194.

Klotz J., Angermann D., Michel G.W., Porth R., Reigber C., Reinking J., Viramonte J., Perdomo R., Rios V.H., Barrientos S., Barriga R., and Cifuentes O. GPS-derived deformation of the Central Andes including the 1995 Antofagasta Mw=8.0 Earthquake // Pure and Appl. Geophys. 1999. V. 154 . P. 709-730,

Larson K.M., and Lisowski M. Strain accumulation in the Shumagin Islands: Results of initial GPS measurements // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. P. 489-492.

Lisowski M., Savage J.C., Prescott W.H, and Gross W.K.. Absence of strain accumulation in the Shumagin seismic gap, Alaska, 1980-1987 // Journ. Geophys. Res. 1988. V. 93. P. 7909-7922,

Savage J.C., Svarc J.L., and Prescott W.H. Deformation across the Alaska-Aleutian subduction zone near Kodiak // Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26. P. 2117-2120.

Taylor M..A.J., Zheng G., Rice J.R, Stuart W.D., and Dmowska R. Cyclic stressing and seismicity at strongly coupled subduction zones // Journ. Geophys. Res. 1996. V. 101. P. 8363-8381.