Строение эпицентральной зоны Чуйского (Горный Алтай) землетрясения по данным метода сейсмической томографии с двойными разностями

Строение эпицентральной зоны Чуйского (Горный Алтай) землетрясения по данным метода сейсмической томографии с двойными разностями

А.А. Еманов, Е.В. Лескова

Институт геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия

В работе представлены результаты обработки данных эпицентральных наблюдений Чуйского (Горный Алтай) землетрясения 27.09.2003г., Ms = 7.3. С использованием метода сейсмической томографии с двойными разностями построена модель распространения продольных волн в районе активизации. Показано, что на границе Северо-Чуйского хребта и Курайской впадины сейсмически активная зона испытывает наклон под хребет. Более детально рассмотрен северо-западный фланг активизации, для событий в этой области рассчитаны фокальные механизмы.

Structure of the epicentral area of the Chuya earthquake (Gorny Altai) according to data of a double-difference seismic tomography method

A.A. Emanov and E.V. Leskova Institute of Geophysics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia Altai-Sayan Branch of Geophysical Survey SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia

The paper presents processing results of epicentral observations of the MS = 7.3 Chuya earthquake (Gorny Altai), September 27, 2003. Using a double-difference seismic tomography method we have developed a model of P-wave propagation in an activation region. It is shown that at the boundary between the North Chuya ridge and Kurai depression the seismically active zone subducts under the ridge. The north-western end of activation is considered in more detail; focal mechanisms are calculated for events in this zone.

1. Введение

Афтершоковый процесс Чуйского (Горный Алтай) землетрясения (27.09.2003 г, М5 = 7.3), регистрируемый плотной сетью станций Алтайского сейсмологического полигона [1] и временными сетями эпицентральных наблюдений, дает надежные данные для исследования глубинного строения Чуйско-Курайской зоны.

Данную работу можно считать логическим продолжением наших работ по изучению афтершоковой последовательности Чуйского землетрясения [2-4]. Ранее [2-4] доминировал более общий взгляд, охватывающий активизацию в целом. Описывалось изменение афтер-

шоковой последовательности во времени, строились механизмы очагов только для крупных событий, распределенных по всей активизированной области. Давались общие закономерности процесса. Много внимания уделялось проблеме уточнения положения гипоцентров афтершоков [5, 6]. В том числе проводились работы по усилению сети станций [1-4]. Для уточнения положения гипоцентров землетрясений в работах [2-4] мы использовали два подхода. В первую очередь мы ввели в расчеты уточненную многослойную скоростную модель земной коры. Это позволило получить более точные абсолютные значения координат землетрясений.

© Еманов A.A., Лескова Е.В., 2006

Еманов A.A., Лескова E.B. / Физическая мезомеханика 9 1 (2006) 45-50 Скоростная модель для продольных волн

Таблица 1

№ слоя 1 2 3 4 5 6 7 8

Глубина, км 0.0+3.0 3.0+6.0 6.0+9.0 9.0+15.0 15.0+20.0 20.0+30.0 30.0+55.0 > 55.0

Скорость Vp, км/с 6.0 6.25 6.3 6.35 6.4 6.55 6.75 8.1

Затем мы использовали метод двойных разностей, который не очень чувствителен к параметрам модели и дает достаточно точное определение положения гипоцентров относительно друг друга. В настоящей работе использован метод сейсмической томографии с двойными разностями, так называемая DD-томография [7, 8]. Эта методика обработки объединяет возможности метода двойных разностей [6] и сейсмической томографии.

2. Начальные данные

В качестве начальных данных мы использовали ги-поцентральные решения, которые были получены на основе скоростной модели [9] с помощью программы HYPOINVERSE 2000 [5]. Стоит отметить, что геология Алтае-Саянского региона очень разнообразна, поэтому одномерная слоистая модель, использованная в расчете, достоверна только для района главного события и аф-тершокового процесса. В табл. 1 приведена скоростная модель для продольных волн. Для поперечных волн скоростная модель получена с использованием отношения УР/У& = 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 (55 км) указана скорость головной волны. Таким образом, мы используем модель, которая учитывает головную волну, но не учитывает волны, проходящие через мантию.

3. Применение DD-тoмoгpафии

В качестве референтной модели для томографических построений использовалась слоистая модель, представленная на табл. 1. При вычислениях мы развернули систему координат на 45.5° против часовой стрелки, как показано на рис. 1. Таким образом, активизированная область стала располагаться вдоль оси Y. Черными точками обозначены узлы модели, для которых вычислялись скорости волн, скорость между узлами рассчитывалась с помощью трилинейной интерполяции. Вдоль линии активизации мы увеличили количество узлов, для того чтобы более детально описать моделью хорошо обеспеченную данными активную зону.

На рис. 1 также показана полученная скоростная модель для слоя на глубине 3+6 км. Более высокими скоростями выделяются северо-западная часть Курайской

50o24'

50o00'

49o36'

зШаШ*

л1

SiWi:»"''1' • • ' i  ' . •/--• . ЛгйггГ;: t

Ж. '.. >• v

I

ЯШ:'.'?. • • • '• . •. . • Ui »ГТ- -.г.. .:.

< --' \  :.- 'Шь  ..f. .

ШШ^т

m 'ä

ntT^iä« Шжж!1ШШ1ё8 18

i .....

i! : .

#•'*'  •' : ; '  .

sifllflftlfl Щ

l-tft j älmitw t i-•!•!••!••!

-'S" - : "T '"-j. ' ' "' Wi

m

87o24'

88o00'

*88°36'

а Сейсмостанции о Эпицентры

переопределенных событий

— Блокоразделяющие разломы

• Узлы скоростной модели

Скорость Р-волн

6.82 Н 6.73 6.64 6.55 6.46 6.37 6.28 6.19 6.1 6.01

Рис. 1. DD-томография: использованное разбиение, уточненные координаты эпицентров и полученная скоростная модель

впадины, которая также определяется в рельефе — приподнята относительно юго-восточной части (рельеф виден на рис. 4), и север Чаган-Узунского блока. Интересно, что со стороны южного борта Курайской впадины, как раз вдоль зоны активизации, и Северо-Чуйского хребта проходит область пониженных скоростей, которая может свидетельствовать о более низких скоростях в разломной зоне.

Для проверки устойчивости модели нами выполнено три теста. В исходные времена вступлений внесены регулярные ошибки + 0.1, - 0.1 с и случайная ошибка в диапазоне [- 0.5 : 0.5] с. Результаты вычислений показаны на рис. 2. Хорошо видно, что основные скоростные аномалии не меняются.

Переопределение положения гипоцентров методом DD-томографии представлено на рис. 3. Показаны окружение зоны активизации сейсмическими станциями и карта положения эпицентров. Для района, соответствующего южному борту Курайской межгорной впадины (выделен квадратом на карте эпицентров), приведены две вертикальных проекции. На вертикальной

Построенная скоростная модель

проекции B-B', которая расположена перпендикулярно к активизации, отмечается наклон разломной зоны под Северо-Чуйский хребет вдоль юга Курайской впадины.

Интересно, что в зоне активизации Чуйского землетрясения выделяется серия линейных S-образных структур. При этом каждая из активизированных структур связана с одним из сильных афтершоков (рис. 4). Так, на северо-западе зоны активизации находится структура, начинающаяся в урочище Ештыкель, которую мы связываем с одним из сильнейших афтершоков 27 сентября 2003 г., произошедшим в 18:52 GMT, c K = 16.6. Далее две параллельных структуры района Актуру принадлежат крупному событию 1 октября 2003 г., 01:03 GMT, K = 16.4. Затем следует большая структура длиной около 40 км, содержащая большое количество ответвлений, которую можно связать с главным толчком.

Следующим шагом мы добавили к афтершокам Чуй-ского землетрясения события, которые наблюдались в 2002 и 2003 годах (до землетрясения). Всего в этом районе получилось 799 событий. Также увеличили область для томографических построений. Полученные резуль-

Все времена вступлений уменьшены на 100 мс

40

20

аз

S

н

§ Б

с а

Q-

-20

-40 -

¿ьа мы i *

'"^ilfipiii

^IpfJ

% ^ГШ

Ü

ШЖ

-40 -20 0 20 Расстояние, км

40

40

20 -

е и

§ 0 -т

тсс

а Р

-20

-40

iii!

ЩШв pjji^teljjjjili

-40 -20 0 20 Расстояние, км

40

Все времена вступлений увеличены на 100 мс

Во времена вступлений внесен случайный шум [-500 : 500]

40 -

1 20-

е,

с с а Р

20

v зай;

.......K:!j::-::iaiäii

£ - '-l'vL>

Г "\-\it

' JjjiiJJ;

v "ЦШ1:

>1

40

20

сс а Р

20

-40 -

-40 -20 0 20 40 -40 -20 0 20 40

Расстояние, км Расстояние, км

Рис. 2. Проверка устойчивости решения DD-томографии к ошибке в начальных данных. Глубина — 3-6 км

Рис. 3. Переопределение положений гипоцентров методом сейсмической DD-томографии

таты представлены на рис. 5 в виде горизонтальных сечений на глубинах 3^6, 6^9 и 15^20 км. На рисунке система координат повернута против часовой стрелки на 45.5° таким образом, что ось У (X = 0) располагается вдоль зоны активизации.

На рис. 5 видно, что сохраняется повышение скоростей продольных волн в районе Чаган-Узунского блока и северо-восточной части Курайской впадины, отмеченное ранее при томографических построениях только по афтершокам Чуйского землетрясения на рис. 1. Эти ано-

... V

50° 10':*

50°0'

¡Й? = Г

Ни  Щищ- -.......¿„

— . J .. : . !• . -{й Ь&йЗит-' . ; ."Та »

49°50'

«4  *** * «Ч*« Ч >«/фЛ| . •

...Л?1 ч

87°30'

И 0

Афтершоки Чуйского землетрясения

Главный толчок и крупнейшие афтершоки активизации:

27 сентября 2003 г.

11:33:24.08

К = 17.0

27 сентября 2003 г.

18:52:51.07

К = 16.6

1 октября 2003 г.

01:03:25.40

К = 16.4

Блокоразделяющие разломы

Рис. 4. Положения эпицентров афтершоков по данным DD-томографии

60

liil' '  о М

Расстояние, км

Расстояние, км

-601

-40

0

Расстояние, км

Рис. 5. Скоростная модель по 799 событиям (2002-2003 гг.) Горизонтальное сечение, глубина 3+6 (а); 6+9 (б); 15+20 км (в). Черными точками обозначены положения эпицентров

малии также видны на глубинах 6+9 км на рис. 5, б, но исчезают на глубинах 15+20 км (рис. 5, в). При этом на всех глубинах отмечается связь зоны активизации с контрастами высоких и низких скоростей распространения продольных волн в среде.

4. Северо-западный фланг активизации

Для афтершоков, приуроченных к S-образной структуре, находящейся на северо-западном фланге активизации, с помощью программы РРРГГ [10] мы выполнили расчеты фокальных механизмов.

При построении фокального механизма программой РРРГГ 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 определяет положение но-дальных плоскостей. Решение приводится в виде параметров одной из плоскостей (угол простирания, падения и подвижки) и осей главных напряжений (азимут и угол наклона).

Проекции нижних полусфер фокальных механизмов представлены на рис. 5, а. Хорошо видно, что в цент-

Z = 5.67, K = 8.5

Z =6.62, K = 10.7

Z =1.76, K = 10

Z = 6.12, K = 8.03 Z = 5.09, K =

10.07.2003, 10:36 10.09.2003, 02:36 10.07.2003, 09:39 . i 10.07.2003, 12:1 10 17 20o3 530 ^ 20.04.2003, 07

Z = 13.31, K = 8.7 Z = 13.41, K = 8.8 Z = 12.15, K = 106 I \ Z = 6.12, K = 8.0 Z = 8 89 K = 12 6 \Z = 12 69, K = i

О' . ' I \ \ v-, \

и О 4 »«ни*4

©Крупнейшие

события

активизации

События, построенные с помощью томографии двойных разностей (в зависимости от энергетического класса): о < 8

О 9 О 12 ° 10 Г) 13

О 11

Взброс

блокораздельный

♦ Правый сдвиг блокораздельный

д Правый

сдвиго-взброс

Блокораздельные разломы неясной морфологии

Рис. 8. Северо-западный фланг активизации

ральной части данной структуры фокальные механизмы указывают на горизонтальный сдвиг, который, учитывая нанесенные разломы, является правым сдвигом вдоль зоны активизации. В пределах юго-восточного окончания данной структуры преобладают взбросовые механизмы, а с северо-западного — две группы механизмов взбросового и сбросового типа. Можно предположить, что механизмы сбросового типа на северо-западном фланге активизации проявились вследствие мелкой блоковой структуры, хорошо выявленной в строении рельефа, тогда как взбросовые механизмы характерны для окончания сдвиговой структуры.

5. Заключение

С помощью метода DD-томографии установлено, что приподнятая северо-западная часть Курайской впадины и север Чаган-Узунского блока характеризуются повышенными скоростями распространения продольных волн. Показано, что землетрясения происходят в местах контрастного изменения скоростей Р-волн и выделяется область низких скоростей вдоль зоны активизации в месте сочленения Северо-Чуйского хребта и Ку-райской впадины.

В активизации, помимо главного толчка, по энергии четко выделяются два крупных афтершока. Данные DD-томографии благодаря хорошей точности пространственной привязки положения афтершоков позволили выделить три элемента афтершоковой области, при этом для каждого такого элемента нашлось свое крупное землетрясение. Геологические данные помогают объяснить природу этих структур. Так, если центральная структура связывается с основным блокоразделяющим разломом, то для юго-восточного фланга характерна связь локализации событий с второстепенными разломами.

Самым интересным является северо-западный фланг активизации. В свете новых данных, как по переопределению гипоцентров землетрясений методом DD-томографии, так и по геологическим представлениям, появляется интересный факт: в данной структуре активизированным является не древний ярко выраженный разлом, проходящий по подножию гор, а параллельный,

более молодой, отсекающий часть Курайской впадины. Именно вдоль него фокальные механизмы очагов землетрясений показывают правый сдвиг — основной для зоны активизации [2].

Работа выполнена при поддержке ОИГГМ СО РАН (проекты ВМТК №№ 1734, 1739), Президиума СО РАН (интеграционный проект № 73), Российского фонда фундаментальных исследований (проект 05-05-64439) и программы Президиума РАН № 13.

Литература

1. Еманов А.Ф., Колесников Ю.И., Селезнев В.С. и др. Алтайский сейс-

мологический полигон: начальный этап становления и первые результаты // Проблемы сейсмологии III-го тысячелетия: Материалы Межд. геофиз. конф., Новосибирск, 15-19 сентября 2003 г. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. - С. 138-144.

2. Еманов А.А., Лескова Е.В. Структура афтершокового процесса Чуй-

ского землетрясения // Вестник НЯЦ РК. - 2004. - Вып. 2.- С. 184189.

3. Гольдин С.В., Селезнев В.С., Еманов А.Ф. и др. Чуйское землетрясение 2003 года (М = 7.5) // Электронный научно-информационный журнал «Вестник отделения наук о Земле РАН». -2003. -№ 1 (21). http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2003/ screp-7.pdf

4. Гольдин С.В., Селезнев В.С., Еманов А.Ф. и др. Чуйское землетрясение и его афтершоки // Доклады РАН. - 2004. - Т. 395. - 4. -С. 534-537.

5. Klein F.W. User's Guide to HYP0INVERSE-2000: Fortran Program to Solve for Earthquake Locations and Magnitudes. - U.S. Geol. Surv., 2002. http://geopubs.wr.usgs.gov/open-file/of02-171/of02-171/.

6. Waldhauser F., Ellsworth W.L. A double-difference earthquake location algorithm: Method and application to the Hayward Fault, California // Bull. Seism. Soc. Am. - 2000. - V. 90. - Р. 1353-1368.

7. Zhang H., Thurber C.H. Double-Difference Tomography: The Method and Its Application to the Hayward Fault, California // Bulletin of the Seismological Society of America, October. - 2003. - V. 93. - No. 5. -Р. 1875-1889.

8. Zhang H. Double-difference seismic tomography method and its applications: A dissertation submitted in partial fulfillment of doctor of philosophy (geophysics) / University of Wisconsinmadison, 1982. -189 p.

9. 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 Межд. геофиз. конф., Новосибирск, 15-19 сентября 2003 г. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. - С. 332-337.

10. ReasenbergP.A., OppenheimerD. FPFIT, FPPLOT, and FPPAGE: Fortran computer programs for calculating and displaying earthquake fault-plane solutions // U.S. Geol. Surv., 1985, Open-File Rep. - Р. 85-739.