Особенности современной глубинной сейсмотектоники литосферы Южных Курил (района о-ва Итуруп) по механизмам очагов землетрясений

Вестник ДВО РАН. 2011. № 3

УДК 550.834

Т.К.ЗЛОБИН, А.Ю.ПОЛЕЦ, Л.Н.ПОПЛАВСКАЯ, Д.А.САФОНОВ

Особенности современной глубинной сейсмотектоники литосферы Южных Курил (района о-ва Итуруп) по механизмам очагов землетрясений

Анализ карты эпицентров и глубинного разреза гипоцентров землетрясений, типов подвижек, установленных по механизмам очагов, позволил выяснить особенности современной глубинной сейсмотектоники и геодинамики литосферы в районе Южных Курил. Выявлено распределение современных тектонических подвижек. Установлены основные типы сейсмодислокаций в литосфере (взбросы, сбросы, сдвиги, пологие надвиги и под-двиги). В земной коре выделены блоки с разными типами подвижек и их положение. В зоне перехода от коры к верхней мантии, а также ниже в мантии до 100 км зарегистрированы всбросовые подвижки. На глубинах 50-80 км выявлена область распространения сдвиговых и поддвиго-надвиговых подвижек, а глубже 80 км - клинообразная зона сбросовых подвижек.

Ключевые слова: строение земной коры, литосфера, сейсмотектоника, землетрясения, Южные Курилы.

Features of modern deep seismotectonics of the lithosphere of the Southern Kuril Islands (area of the Iturup Island) on the basis of earthquakes focal mechanisms. T.K.ZLOBIN, A.YuPOLETS, L.N.POPLAVSKAJA, D.A.SAFONOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Analysis of the map of epicenters and deep section of the hypocenters of earthquakes, types of movements determined on the basis of earthquakes focal mechanisms allowed to determine features of modern deep seismotectonics and geodynamics of the lithosphere in the region of the Southern Kuril Islands. Distribution of modern tectonic movements was revealed. The basic types of seismic dislocations in the lithosphere (upthrust faults, normal faults, shifts, overthrust faults and underthrust faults) were determined. Blocks with different types of movements and their position were marked in the Earth's crust. Upthrust movements were registered in a zone of transition from the Earth's crust to the upper mantle and also lower in the mautle up 100 km. The area of distribution of shifts, overthrust and underthrust movements was revealed on depths of about 50-80 km, and wedge-shape zone of normal fault movements was revealed deeper than 80 km.

Key words: crustal structure, lithosphere, seismotectonics, earthquakes, Southern Kuril Islands.

Курильские острова и Курило-Камчатская зона отличаются чрезвычайно высокой сейсмической активностью и постоянной опасностью возникновения здесь сильных или катастрофических землетрясений. Последними такими событиями были Симушир-ские землетрясения в 2006 и 2007 гг. с магнитудами Mw = 8,3 и 8,1 [4], соответственно, серия сильных толчков в последующие годы на Средних Курилах [5], а также Шикотан-ское землетрясение на Южных Курилах 4 октября 1994 г. с Mw = 8,2 [2]. При изучении землетрясений, особенно таких катастрофических, большое значение имеет их связь с геологическими структурами - сейсмотектоника региона.

Цель работы - изучение современной глубинной сейсмотектоники литосферы на примере самого активного участка зоны - Южных Курил. Настоящая работа основана на создании карты эпицентров землетрясений указанного района за 2000-2009 гг. (рис. 1),

*ЗЛОБИН Тимофей Константинович - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, ПОЛЕЦ Анастасия Юрьевна - младший научный сотрудник, ПОПЛАВСКАЯ Лидия Николаевна - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, САФОНОВ Дмитрий Александрович - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). *E-mail: t.zlobin@mail.ru

Рис. 1. Очаги землетрясений с магнитудами М = 3-5 в районе исследований в 2000-2009 гг. 1-5 - типы подвижек: 1) взбросы, 2) сбросы, 3) сдвиги, 4) надвиги, 5) поддвиги; 6 - стереограмма фокальных механизмов очагов землетрясений

ее анализе, изучении механизмов очагов землетрясений, построении глубинного разреза гипоцентров землетрясений литосферы с учетом данных о глубинной структуре, геологии и тектонике Южных Курил (рис. 2-4).

Методика исследований

При проведении исследований использован каталог механизмов очагов землетрясений по данным Японского национального исследовательского института наук о Земле и предотвращения катастрофических явлений (NIED - National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention)1, который для исследуемого района оказался наиболее полным из рассмотренных каталогов землетрясений (СФ ГС РАН, NEIC2, GCMT3) (см. таблицу). Исследования конкретного района о-ва Итуруп ограничены глубиной до 100 км, т.е. земной корой и частью верхней мантии.

При определении механизмов очагов землетрясений агентство NIED использовало записи ближайших к очагу широкополосных сейсмостанций. Предварительный эпицентр, определенный Метеорологическим агентством Японии, в ходе расчета тензора момента центроида уточнялся авторами статьи с целью получения наилучшей сходимости решения и наиболее точного определения глубины гипоцентра землетрясения. Эти уточненные данные и были использованы в настоящем исследовании.

Результаты исследований

Анализ по величине угла наклона PL к горизонту оси промежуточного напряжения N, главных осей напряжений и их азимутов, а также нодальных плоскостей (DP1,

1 National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (http://www.fnet.bosai.go.jp).

2 National Earthquake Information Center (http://neic.usgs.gov/neic/epic/epic_rect.html) .

3 Global Centroid Moment Tensor Project (http://www.globalcmt.org) .

Каталог механизмов землетрясений за 2000-2009 гг.

№ п/п Дата Время в очаге Координаты эпицентра Глубина Н, км Mw Оси главных напряжений Нодальные плоскости Тип подвижки

Т Р NP1 NP2

ф0, N Х0, Е PL AZM PL AZM STK DPI SLIP STK DP2 SLIP

1 01.06.2002 20:15 45,6 147,6 5 4,4 9 245 28 341 117 77 -152 20 63 -14 Сдвиг

2 02.06.2002 19:07 45,4 147,4 5 4Д 53 222 21 344 277 72 120 35 34 33 Взброс

3 24.10.2002 10:13 44,6 147,8 89 4Д 49 87 19 332 217 72 54 104 39 151 -II-

4 13.08.2003 14:47 45,1 148,3 11 3,6 23 285 64 123 201 69 -83 1 22 -109 Сброс

5 13.08.2003 14:57 45,2 148,3 8 4,3 33 137 55 296 39 78 -100 261 15 ^19 Поддвиг

6 28.02.2004 04:25 44,9 148,6 77 4,8 38 112 21 4 243 79 45 142 46 165 Взброс

7 03.04.2004 09:09 45,1 148,9 56 3,8 53 103 30 320 215 78 71 93 22 145 -//-

8 15.05.2004 16:35 44,3 147,7 86 3,9 37 155 41 288 42 88 -116 308 26 -5 Сброс

9 16.06.2004 09:54 44,8 148,7 44 3,6 38 93 17 349 226 76 42 124 49 162 Взброс

10 02.12.2004 15:34 44,5 148,1 92 4 67 357 2 261 152 51 61 13 47 121 -//-

11 29.01.2005 09:24 44,2 147,3 80 3,9 7 208 11 300 75 87 -167 344 77 -3 Сдвиг

12 25.02.2005 15:33 44,1 147,5 86 4,5 15 14 55 127 261 66 -124 140 40 -38 Сброс

13 06.01.2006 01:08 44,6 147,6 98 4,2 76 55 9 279 182 56 79 21 36 106 Взброс

14 28.02.2006 23:44 44,4 147,3 50 4 45 16 20 129 67 75 128 175 41 23 -//-

15 20.01.2007 05:32 45,1 147,3 5 4,3 53 137 35 298 217 81 100 351 13 45 Пологий надвиг

16 04.03.2007 11:22 44,6 148,5 83 4,3 65 105 22 309 212 68 80 57 24 113 Взброс

17 15.03.2007 12:10 44,1 147,4 53 4 32 7 56 168 269 78 -99 127 15 -54 Поддвиг

18 03.11.2007 10:42 44,2 147,4 74 4,2 34 49 4 316 187 70 28 87 63 157 Сдвиг

19 13.11.2007 09:52 44,5 147 5 4 16 205 66 73 130 64 -72 273 32 -122 Сброс

20 13.11.2007 11:06 44,5 147 5 3,4 29 117 37 2 59 85 -51 154 39 -173 -//-

21 06.01.2008 08:14 44,2 147,6 77 4,5 45 143 42 301 222 89 101 318 11 6 Пологий надвиг

22 26.05.2008 23:01 45 149,2 71 4,9 4 176 66 75 107 54 -61 244 45 -123 Сброс

23 21.06.2008 21:09 45,1 149 35 4,2 53 52 17 168 103 69 123 221 38 35 Взброс

24 16.02.2009 06:43 45,7 147,7 14 4Д 53 144 36 317 230 81 93 28 9 68 Пологий надвиг

25 04.06.2009 13:26 44,8 148,6 53 3,8 53 221 22 97 346 73 62 227 33 147 Взброс

26 25.07.2009 11:32 44,5 148,1 83 4,8 18 209 35 105 154 79 -40 253 50 -166 Сброс

27 24.01.2009 12:44 44,5 148,1 74 4 12 41 23 306 352 83 -26 86 64 -172 Сдвиг

Примечание. Оси главных напряжений: Т - растяжения; Р - сжатия. AZM - азимут оси (сжатия; растяжения), PL - угол наклона оси к горизонту. Нодальные плоскости (NP1, NP2): STK - азимут простирания; DP - угол падения; SLIP - угол скольжения.

Рис. 2. Фрагмент тектонической схемы района Южных Курил (по [9], с упрощениями). 1, 2 - области неоген-четвертичного (1) и среднемиоцен-четвертичного (2) деструктивного тектогенеза; 3) осадочные бассейны на субокеанической коре (глубоководные котловины); 4) прогибы приостровного склона; 5) мега-сдвиги; 6) региональные разломы; 7) изопахиты осадочной толщи (км). I - Южно-Курильское поднятие; II - Южно-Охотский прогиб; III - Южно-Курильский прогиб; IV - Малокурильское поднятие и его подводное продолжение; V - внешний прогиб; VI - фронтальное поднятие

DP2) позволил определить типы сейсмодислока-ций в очагах землетрясений. Установлено, что в литосфере этого района в основном распространены подвижки типа взброс (11) и сброс (7). Меньше имеется сдвигов (4), пологих надвигов (3) и под-двигов (2) (рис. 1). Распределение типов подвижек по площади неравномерно.

Взбросы имеют место в литосфере под приост-ровным склоном Южно-Курильского прогиба (III, рис. 2), а также в Южно-Охотском прогибе в 30 км к северо-западу от о-ва Итуруп (землетрясение 2). Сбросы распространены по периферии изучаемой площади юго-восточнее указанной области взбросов (см. рис. 1), в основном под подводным продолжением Малокурильского поднятия (IV, рис. 2). Сдвиги, по-видимому, приурочены к зонам разломов. Сдвиг 1 установлен на расстоянии в несколько десятков километров севернее о-ва Итуруп на траверзе вулканов Чирпой и Богдан Хмельницкий (рис. 3) в зоне регионального разлома, проходящего в северо-восточном направлении параллельно простиранию острова и дуги (рис. 2) [9]. Остальные сдвиги (11, 18, 27) расположены в полосе протяженностью около 100 км такого же направления

Рис. 3. Геологическая карта о-ва Итуруп (по [7], с дополнениями по [8]). 1) четвертичные осадочные образования; 2-5 - верхнекайнозойские вулканические комплексы: 2) четвертичный андезитовый; 3) верхнеплиоценовый базальтоидный, 4) верхнемиоцен-плиоценовый вулканогенно-кремнисто-диатомовый; 5) олигоцен-среднемио-ценовый «зеленотуфовый», 6) тектонические нарушения: а - по [7], б - по [8]; 7) вулканы

восточнее острова под Южно-Курильским прогибом и продолжением Малокурильского поднятия также в зоне регионального разлома.

Пологие надвиги и поддвиги в исследуемом районе установлены за истекший период на локальных участках, однако аппроксимировать их на какую-либо одну зону сложно. Севернее о-ва Итуруп в Южно-Курильском прогибе были зафиксированы надвиги (15, 24), которые, как и сдвиг 1, могут быть связаны с зоной регионального разлома и мега-сдвига, проходящего здесь северо-восточнее острова и выделенного В.В.Харахиновым по геологическим данным (рис. 3) [9]. С этой зоной, безусловно, связан и пологий надвиг (15), произошедший в Южно-Охотском прогибе в 20-30 км севернее острова на траверзе влк. Буревестник. Поддвиг (5) установлен под о-вом Итуруп в районе перешейка Ветровой в очаге землетрясения на глубине 8 км. По известной глубине гипоцентров этих очагов (5-14 км) можно сделать вывод о глубине залегания этого сейсмоактивного мега-сдвига и разлома.

Таким образом, исследование механизмов очагов землетрясений и построение карты их эпицентров для района о-ва Итуруп показало, что здесь в основном распространены подвижки типа сброс и взброс, а сейсмодислокации иного типа - сдвиги, надвиги и под-двиги - проявляются локально.

Наиболее информативным является глубинный разрез гипоцентров землетрясений (рис. 4). При его построении на глубинный сейсмический разрез через о-в Итуруп

Рис. 4. Глубинный сейсмический разрез о-ва Итуруп и проекции на профиль гипоцентров землетрясений. 1) пикеты установки сейсмических станций записи; 2) границы обмена; 3) границы обмена, связываемые с кровлей консолидированной коры; 4) границы обмена, связываемые с кровлей «базальтового» слоя (а) и подошвой коры (б); 5) положение преломляющей сейсмической границы с Уг = 8,0 км/с, отождествляемой с поверхностью Мохоровичича по данным ГСЗ; 6) глубинные разломы и тектонические нарушения; 7, 8 - средняя (7) и граничная (8) скорости; 9) положение подошвы земной коры по [1]; 10-12 - положение проекции на разрез гипоцентров землетрясений М = 3 (10), М = 4 (11) и М = 5 (12); серые звездочки - взбросы, белые - сбросы, со штриховкой -сдвиги, подвиги и надвиги; 13-15 - области распространения гипоцентров со сбросами (13), взбросами (14), сдвигами, поддвигами и надвигами (15); 16) проекции стереограмм фокальных механизмов очагов землетрясений в разрезе (нижняя полусфера) и их номера

(по данным ГСЗ и МОВЗ [6]) были нанесены проекции гипоцентров землетрясений и их механизмы. Анализ полученных данных позволил сделать заключение о современной динамике и сейсмотектонике глубинных структур литосферы юга Курильской островной системы. На разрезе выделены слои и блоки с разными преимущественными подвижками: взбросового и сбросового типа, подвиг, надвиг и сдвиг, а также их положение на глубине. Способ реконструкции динамики земной коры на основе анализа типов подвижек и решений механизмов очагов землетрясений авторами статьи был предложен ранее [3] и апробирован на примере южных районов Сахалина и Курильских островов.

Выводы

Выявлено распределение современных тектонических подвижек в земной коре на глубинах до 10-20 км, где в блоках чередуются все типы сейсмодислокаций. Под вулканическими хребтами Стокап и Буревестник (ПК8-10) и вулканами Тебенько-ва, Баранского (ПК12-19) отмечены надвиги и подвиги. В центральном блоке (ПК10-12) между этими хребтами под зал. Касатка и влк. Иван Грозный, а также юго-западнее под влк. Медвежий зафиксированы взбросы (2, 23). По краям острова, в юго-западной части под вулканами Стокап (ПК8) - Берутарубе (ПК1) и северо-восточнее влк. Медвежий (ПК22-24) - сбросы (19, 20, 22).

С границей Мохоровичича (М) и переходным слоем от коры к мантии можно определенно связывать ряд землетрясений (7, 9, 14, 23, 25), в очагах которых были взбросовые подвижки. В верхней мантии на большей части профиля (центральной и восточной) на глубинах до 100 км также преобладают взбросовые подвижки.

В западной половине разреза в верхней мантии на глубинах 50-80 км выявлена область сдвиговых и надвиго-поддвиговых подвижек, которая практически полностью соответствует слою, ограниченному сейсмическими границами обмена М3 и М5 [6]. Эта область, по-видимому, оборвана по глубинному разлому, разделяющему зоны разных типов подвижек (взбросы от сдвигов, надвигов и поддвигов). На глубине более 80 км выделена зона сбросовых подвижек, выклинивающаяся в северо-восточном направлении.

Таким образом, анализ положения землетрясений на карте эпицентров и глубинном разрезе их гипоцентров, типов подвижек, установленных по механизмам очагов землетрясений, позволил установить особенности современной глубинной сейсмотектоники и геодинамики литосферы в районе Южных Курил. Методика исследований может быть применена для аналогичных исследований изучения земной коры и верхней мантии всей Курило-Камчатской зоны, а также других регионов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бичевина В.Н. К вопросу о мощности земной коры в островного района Дальнего Востока СССР // Геология и геофизика. 1960. № 1. С. 96-105.

2. Злобин Т.К., Поплавская Л.Н., Левин Б.В. Сафонов Д.А., Полец А.Ю., Рудик М.И. Вариации поля упругих напряжений и основные сейсмодислокации в очаговой зоне Шикотанского землетрясения 4(5) октября 1994 года // ДАН. 2008. Т. 419, № 6. С. 820-823.

3. Злобин Т.К., Поплавская Л.Н., Полец А.Ю. О возможности реконструкции реальной динамики земной коры (на примере южных районов Сахалина и Курильских островов) // ДАН. 2009. Т. 427, № 6. С. 829-832.

4. Злобин Т.К., Левин Б.В., Полец А.Ю. Первые результаты сопоставления катастрофических Симуширских землетрясений 15 ноября 2006 г. (М = 8,3) и 13 января 2007 г. (М = 8,1) и глубинного строения земной коры Средних Курил // ДАН. 2008. Т. 420, № 1. С. 111-115.

5. Злобин Т.К., Поплавская Л.Н., Полец А.Ю. Серия сильных и катастрофических Симуширских землетрясений 2006-2009 годов: основные особенности и сейсмотектоника очаговых зон // ДАН. 2009. Т. 428, № 4. С. 531-535.

6. Злобин Т.К. Строение литосферы в районе о. Итуруп по сейсмическим данным // Тихоокеан. геология. 1989. № 3. С. 33-41.

7. Пискунов Б.Н. Геолого-петрологическая специфика вулканизма островных дуг. М.: Наука, 1987. 230 с.

8. Стрельцов М.И. Дислокации южной части Курильской островной дуги. М.: Наука, 1976. 132 с.

9. Структура и динамика литосферы и астеносферы Охотоморского региона / Харахинов В.В., Туезов И.К., Бабошина В.А. и др. М.: Нац. геофиз. ком. РАН, 1996. 337 с.