Тектонические и постсейсмические движения Алтае-Саянского региона по GPS данным

УДК 550.24

В.Ю. Тимофеев, Д.Г. Ардюков, Е.В. Бойко

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ И ПОСТСЕЙСМИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ АЛТАЕ-САЯНСКОГО РЕГИОНА ПО GPS ДАННЫМ

V.Yu. Timofeyev, D.G. Ardyukov, Ye.V. Boyko

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS

3 Ak. Koptyuga Pr., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

TECTONIC AND POSTSEISMIC MOVEMENTS OF THE ALTAI-SAYAN REGION ACCORDING TO GPS DATA

Forces connected with India-Eurasia collision generate present-days earth crust deformation of central Asia. At north in central Asia (south of Siberia) these forces connected with collision between earth crust blocks and Siberia’s platforms. For precise estimation of current plate’s velocities the analysis of modern Eurasia plate model was realized and 2 mm distinction from NNR-Nuvel-1a and APKIM2000 models was found. Model AR-IR2006 was developed used by results of permanent GPS station situated on un-deformed part of North Asia (from Ural to Baikal). At last tens for south part of Gornii Altay modern tectonic process was united with effects of Chuia earthquake (27.09.2003, M = 7.5). GPS geodesy results allow separate pre-seismic period (2000-2003), co-seismic period (2003-2004) and post-seismic displacement period (2004-2007). Present-days tectonic velocity map for Gornii Altay (20002006) without Chuia earthquake zone showed the north-west displacement with 2 mm/y velocity.

Современное деформирование земной коры центральной Азии определяется силами, вызванными коллизией Индийской и Евразийской тектонических плит и столкновением блоков земной коры на севере с массивными платформами Сибири. Для Горного Алтая в особенности его южной части на этот процесс в последнее десятилетие накладываются явления, связанные с Чуйским землетрясением (27.09.2003, М = 7.5). Результаты измерений методами космической геодезии позволяют разделить этапы подготовки землетрясения (2000-2003), косейсмических (2003-2004) и постсейсмических смещений (2004-2007). Для более точной оценки величин современных смещений был проведен анализ существующих моделей плитного движения Евразии. Выбор модели необходим для более точного исключения плитного движения из геоцентрического решения для отдельных пунктов. Учитывая это при анализе данных по югу Сибири, нам пришлось внимательно рассмотреть модельные оценки и экспериментальные данные по постоянным станциям севера Азии. При этом мы старались не опираться на данные станций, расположенных в зоне вечной мерзлоты. Фактически рассматривались экспериментальные результаты мировой IGS сети для станций ARTU (Средний Урал), NVSK (Новосибирск), KSTU (Красноярск) и IRKT (Иркутск). Станции расположены в полосе широт 52-56 градусов в тектонически стабильной части Евразийской плиты. Данные по этим станциям показали систематические отклонения (в 2 мм) от оценок по

модели NNR-Nuvel-1a (+2 мм по обоим компонентам) и модели APKIM2000 (2 мм по обоим компонентам). Используя известные соотношения для определения скоростей горизонтальных смещений отдельного пункта на сфере с координатами ф и X через модельные параметры; координаты полюса (Ф, Л) и скорости вращения тектонической плиты (ю), составив систему уравнений можно получить параметры полюса вращения. Опираясь на экспериментальные результаты перечисленных выше четырех континентальных станций юга Сибири (ARTU, NVSK, KSTU, IRKT) и известные соотношения, была построена модель AR-IR-2006 (Ф = 51.045°N, Л = 255.842°E, ю = 0.2423 градус/млн. лет) [Тимофеев и др., 2008], относительно которой вычислялись аномальные смещения эпицентральной части Чуйского землетрясения.

Моделирование процесса постсейсмического деформирования земной коры Горного Алтая проводилось на примере Чуйского землетрясения 27.09.2003 года, М = 7.5. Параметры, использованные при моделировании, определены по экспериментальным результатам, полученным после обработки ежегодных измерений по технологии космической геодезии (GPS-метод) с привлечением материалов сейсмологических и геоморфологических исследований. Выделим важные характеристики Чуйского землетрясения: правосторонний горизонтальный сдвиг при минимальных вертикальных смещениях (получено из сейсмологических, геоморфологических и геодезических данных - С, Г, Гд), протяженность разрыва 80-150 км, простирается в азимуте 130 градусов (С, Г, Гд), плоскость разрыва вертикальная (С), смещение по разрыву 2 метра (С, Г, Гд), глубина разрыва до 16 км (С, Гд), снятое сдвиговое напряжение 4 МПа (пересчёт данных космической геодезии с использованием 2D упругой модели вертикального разрыва) [Гольдин и др., 2005]. Глубинное строение Алтае-Саяской области изучено крайне слабо, что естественно ограничивает возможности моделирования современных процессов. Согласно гравиметрическим данным 60-х годов прошлого века по профилям Бийск-Абакан, Усть-Кан-Чулышман, Калгуты-Джулу-Куль и Тархата-Узун-Оюн мощность коры составила от 40 до 50 км с нарастанием мощности с севера на юг Горного Алтая, также выделены субвертикальные разломы, ограничивающие межгорные впадины, в частности Чуйскую долину. Впадины заполнены осадками. Проведение исследований методом магнитотеллурических зондирований (МТЗ) в 2004 году показало наличие «вязкого» слоя на глубине 20 км в южной части Горного Алтая. Измерения методом GPS в 2004-2007 гг. позволили приступить к определению величины постсейсмических смещений, что в свою очередь потребовало уточнить модели современного плитного вращения Евразии и выделить тектоническую составляющую в смещениях Горного Алтая.

На рис. 2 показано геоцентрическое решение для станции Акташ (AKTA), скорость смещение пункта по модели AR-IR2006: -3.50 мм/год и +26.20 мм/год.

Для определения современных скоростей тектонических смещений Горного Алтая проведен анализ данных за 2000-2006 гг. по геодинамической сети за исключением станций в эпицентральной части (юго-восток Горного Алтая), полученная картина показала горизонтальное смещение на северо-запад (рис. 3). Для вертикальных скоростей значения близки к нулю, учитывая ошибку. Например, для пунктов на станции Усть-Кан: (USTK, 2000-2006) -0.79 ± 1.31 мм/год; (UST2, 2004-2006) +0.48 ± 3.45 мм/год.

Постсейсмические смещения, правосторонний сдвиг (эпоха 2004-2006 гг.) по экспериментальным данным

87 88 89

Рис. 1. Скорости смещений в эпицентральной зоне

АКТА МогИлС^а 5602174.698 т га1е(тт/уг)= -7.8+ 1.3 пгтэ= 2.13 1мтз= 2.9

2005 2006

АКТА Еаэг Шэй 6227030.457 т га1е(тт/уг)= 30,1+ 1.1 пгтз= 0,83 \от-тз= 1.0

2005 2006

АКТАирСЖзег 1370,663 т га1е(тт/уг)= -3.6+ 6.3 пгтэ= 0,04 \л/гт5= 0.3

2005 2006

Рис. 2. Смещение пункта Акташ в мм в геоцентрической системе координат с ошибками. Сверху вниз: смещение на север, смещение на восток и вверх.

Эпоха 2004-2005-2006 гг.

Теперь исключив из смещений эпицентральной части тектоническую составляющую, определяем величины постсейсмических смещений и деформаций в эпицентральной части, связанные с релаксацией напряжений после землетрясения. В отличие от модели косейсмических смещений, где использована упругая полубесконечная среда с вертикальным разрывом, для постсейсмических смещений уже само наличие их приводит к необходимости рассмотрения вязко-упругих моделей. Полагая, отсутствие смещений на разрыве в эпоху после землетрясения, по данным для станций близких к разрыву вычисляем величину скорости сдвиговой деформации, в итоге она равна 1.640 - в год. Далее, используя величину снятых сдвиговых напряжений (4 МПа), вычисляем значение вязкости, в итоге получаем

90

значение 7*10 Па-сек.

Рис. 3. Смещение пунктов Алтайской сети (2000-2006 гг.) за исключением эпицентральной зоны Чуйского землетрясения. Смещение на С-З 2 мм в год

Подобное решение для вязко-упругой литосферы с бесконечной трещиной предложено Будянским и Амазиго (1976). Так при глубине

разрыва 16 км и скорости смещений 5 мм в год в рамках этой модели

20

получаем значение вязкости среды 4*10 Па-сек. Полученные значения малы для верхней коры и разумней предположить двухслойную модель типа: упруго-хрупкая верхняя кора и вязкоупругая нижняя кора, с бесконечным вертикальным разрывом в верхней коре и релаксацией напряжений после землетрясения. В рамках модели Эльзассера с учётом параметра, отражающего эффективное сцепление упругого и вязкого слоёв земной коры, при большой длине волны возмущения, вязкость можно вычислить, используя значение снятого сдвигового напряжения (4 МПа), скорости

смещения (5 мм в год) и мощности вязкого слоя (30 км) - для нижней коры

20

получаем - 7.540 Па-сек. Период релаксации напряжений по Эльзассеру при модуле сдвига пород коры 30 ГПа составит около 800 лет. И, наконец, используя максвелловскую схему упруго-вязкого тела при мощности упругого слоя 20 км и вязкого слоя в 30 км можно определить коэффициент диффузии и время релаксации напряжений. При том же модуле сдвига коры получаем коэффициент диффузии около одного квадратного километра в год и время релаксации для модели Максвелла 300 лет.

1. Гольдин С.В. Поля смещений земной поверхности в зоне Чуйского землетрясения, Горный Алтай. / С.В. Гольдин, В.Ю. Тимофеев, Д.Г. Ардюков / ДАН, 2005, т. 405, № 6, С. 804809.

2. Тимофеев В.Ю. Поля и модели смещений земной поверхности Горного Алтая / В.Ю.

Тимофеев, Д.Г. Ардюков, Э. Кале, А.Д. Дучков, Е.А. Запреева, С.А. Казанцев, Ф. Русбек, К. Брюникс / Геология и геофизика, 2006, т. 47, № 8, С. 923-937.

3. Тимофеев В.Ю. Сихоте-Алиньская сеть GPS измерений для геодинамических

исследований. / В.Ю. Тимофеев, П.Ю. Горнов, Д.Г. Ардюков, Ю.Ф. Малышев, Е.В. Бойко / «Тихоокеанская геология», 2008, № 4.

4. Тимофеев В.Ю. Моделирование современных движений Евразийской плиты и её

южного обрамления (Горный Алтай, Приморье) по данным космической геодезии (GPS). / В.Ю.

Тимофеев, Д.Г. Ардюков, П.Ю. Горнов, Б.Ф. Шевченко, Р.Г. Седусов / Фундаментальные проблемы геотектоники. Материалы XL Тектонического совещания. Т. 2. Москва, ГЕОС. 2007. - С. 273-277.

5. Тимофеев В.Ю. Современные движения Алтае-Саянского региона по

экспериментальным данным. / В.Ю. Тимофеев, Д.Г. Ардюков, Р.Г. Седусов, Е.В. Бойко / ГЕО-СИБИРЬ, Сборник материалов III Международного научного конгресса, т. 3, Новосибирск, СГГА, 2007. - С.279-284.

© В.Ю. Тимофеев, Д.Г. Ардюков, Е.В. Бойко, 2008