Реконструкция параметров поля тектонических напряжений перед японским землетрясением 11 марта 2011 г

Вестник ДВО РАН. 2013. № 3

УДК 530.34+551.24 А.Ю. ПОЛЕЦ

Реконструкция параметров поля тектонических напряжений перед японским землетрясением 11 марта 2011 г.

Приводятся новые данные об особенностях поля тектонических напряжений перед японским землетрясением у восточного побережья о-ва Хонсю 11 марта 2011 г. Реконструкция поля тектонических напряжений выполнялась на основе метода катакластического анализа совокупностей механизмов очагов землетрясений (МКА). Установлено, что напряженное состояние области возникновения землетрясения отвечает режимам горизонтального сжатия. Очаг землетрясения находился в области наименьших величин относительного эффективного давления.

Ключевые слова: Япония, о-в Хонсю, землетрясения, земная кора, верхняя мантия, напряженное состояние.

Reconstruction ofthe tectonic stress field parameters before the Japanese earthquake on the 11th of March, 2011.

A.Yu. POLETS (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

New data of features of the tectonic stresses field before Japanese earthquake near the east coast of the Honshu Island on March 11, 2011 are given. Reconstruction of the tectonic stresses field has been carried out on basis of the method ofcataclastic analysis of earthquake focal mechanisms (MCA). It has been established that the stress state ofthe earthquake focus satisfies horizontal compression modes. The focus of the Great Tohoku Earthquake was located in the area of minimum values of the relative effective pressure.

Key words: Japan, the Honshu Island, earthquakes, the Earth's crust, upper mantel, stress state.

Землетрясения - это проявления современных тектонических движений. В каждом конкретном регионе возникновение землетрясения связано с особенностями сей-смогеологических условий и строения литосферы. Исследования полей напряжений позволяют судить о современных тектонических процессах, особенностях геодинамики земной коры и верхней мантии, механизме формирования сейсмофокальных зон и взаимодействии литосферных блоков.

11 марта 2011 г. у восточного побережья о-ва Хонсю в Японии произошло мегаземле-трясение с моментной магнитудой M = 9,0 (рис. 1г). Это землетрясение признано сильнейшим в истории страны и вошло в десятку мощнейших за всю историю сейсмических наблюдений в мире (http://www.jma.go.jp/jma/indexe.html). Землетрясение вызвало сильное цунами, высота приливной волны в ряде районов превышала 10 м. Землетрясение и цунами стали причиной гибели более 25 тыс. чел.

Японские острова расположены в зоне сочленения четырех литосферных плит: Евразийской (Амурской), Охотоморской, Тихоокеанской и Филиппинской. Это обусловливает высокую сейсмическую активность региона. Рассмотрение особенностей развития сейсмического процесса в очаге японского землетрясения показало, что повышение сейсмической активности началось 9 марта 2011 г. у Тихоокеанского побережья северо-восточной

ПОЛЕЦ Анастасия Юрьева - кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). E-mail: polec84@mail.ru

Работа выполнена при поддержке грантами РФФИ № 12-05-31329 и президента РФ МК-1904.2013.5.

Рис. 1. Положение эпицентров землетрясений в районе о-ва Хонсю: а - 1 сентября 2010 г.; б - 9 марта 2011 г.; в - 10 марта 2011 г.; г - 11 марта 2011 г.

части о-ва Хонсю в небольшой области к северо-востоку от Токио и в 40 км от главного толчка (рис. 1б).

По данным NEIC (National Earthquake Information Center), в районе исследования за полгода до 9 марта зарегистрировано 89 землетрясений (рис. 1а) с магнитудой от 4,0 до 5,0 (70 событий) и от 5,0 до 6,0 (19 событий). За два дня до основного толчка, 9 марта 2011 г., зарегистрирована серия форшоков (45 землетрясений), впервые за полгода наряду с землетрясениями с магнитудами 4,0-5,0 (23 события) и 5,0- 6,0 (19 событий) отмечены два землетрясения с магнитудами 6,0, 6,4 и самый мощный форшок с M = 7,5 (рис. 1б). 10 марта 2011 г., за день до главного толчка, число событий резко сократилось до 16 и магнитуды землетрясений вновь не превышали 5,6 (рис. 1в). После главного толчка 11 марта 2011 г. последовали афтершоки с магнитудами 7,0, 7,4, 7,2 и многочисленные толчки меньшей силы. В результате облако афтершоков распространилось на восток, юго-запад и северо-запад. Линейные размеры облака афтершоков: L = 500 км, W = 150 км (рис. 1г). Механизм очагов землетрясений 9 и 11 марта 2011 г. - пологий надвиг [5] (рис. 2).

N

N

09.03.2011г.

11.03.2011г.

Рис. 2. Стереограммы механизмов очагов землетрясений

Для оценки напряженного состояния земной коры и верхней мантии перед японским землетрясением 11 марта 2011 г. был применен метод катакластического анализа совокупностей механизмов очагов землетрясений (МКА). Методика реконструкции тектонических напряжений разработана Ю.Л. Ребецким [4].

Метод реконструкции природных напряжений

МКА является одним из методов изучения природных полей тектонических напряжений и включает методы реконструкции ориентации осей главных напряжений и сейсмотектонических деформаций по данным о совокупностях механизмов очагов землетрясений [1- 3, 6, 7].

Исходными данными для МКА служат сейсмологические параметры механизмов очагов землетрясений (решения тензора момента центроида землетрясений), данные о величине напряжений, снимаемых в очагах сильных землетрясений, топография и мощности основных слоев земной коры (осадки, гранитный и базальтовые слои). Реконструкция компонентов тензоров напряжений, приращений квазипластических деформаций и оценка механических свойств осуществляются в несколько этапов.

На первом этапе выполняется расчет ориентации трех главных осей и коэффициента Лоде-Надаи для тензоров напряжений и приращений сейсмотектонических деформаций.

На втором этапе реконструкции определяются относительные значения всестороннего давления р* и модуля максимального касательного напряжения т. Величины этих компонентов тензора напряжений рассчитываются с точностью до неизвестного значения внутреннего сцепления массивов горных пород т , которое можно считать постоянным для исследуемого участка земной коры.

На третьем этапе реконструкции осуществляется оценка величины т - эффективной прочности сцепления массива с масштабом осреднения, соответствующим реконструируемым напряжениям. Алгоритм расчета связан с возможностью после первых двух этапов оценить напряжения Дти, снимаемые вдоль произвольно ориентированной плоскости, с точностью до нормировки на неизвестную величину т [1].

Результаты реконструкции

Реконструкция напряженного состояния выполнялась на основе тензоров моментов центроидов - решений для землетрясений из каталогов КЕ1С (Шр://еаг^иаке. usgs.gov/regional/neic). Обработка исходных сейсмологических данных производилась в пределах области 35-42° с.ш. и 137-146° в.д. в узлах сетки 0,25 х 0,25° в латеральном направлении для интервала глубин 0-30 км. Японское землетрясение 11 марта 2011 г. в районе о-ва Хонсю позволило рассмотреть особенности распределения напряжений и их изменения перед этим событием. По результатам реконструкции были построены проекции на горизонтальную плоскость осей погружения главных напряжений максимального девиаторного сжатия, растяжения и промежуточного главного напряжения, выполнено районирование по типу напряженного состояния, построены схемы распределения значений коэффициентов Лоде-Надаи и относительного эффективного всестороннего давле-нияр*/т, (р* - относительное значение всестороннего давления, эффективное внутреннее сцепление).

Япония представляет собой сложное сочленение структур разных направлений, здесь оси главных напряжений меняют свою ориентировку более чем на 45°. В большинстве случаев проекции осей максимального девиаторного сжатия с3 ориентированы почти ортогонально простиранию глубоководного желоба. Преимущественное азимутальное направление осей сжатия 90-130° с максимумом в интервале 100-110°, угол погружения 0-30° с максимумом 0-10°. Однако между о-вом Хонсю и желобом оси имеют характерное

для зон субдукции погружение под океаническую, а между Японским морем и Хонсю под субконтинентальную плиту. Севернее Хонсю оси ориентированы параллельно простиранию глубоководного желоба.

Ориентация осей максимального девиаторного растяжения по сравнению с ориентацией осей максимального девиаторного сжатия имеет более сложный характер, местами отмечаются более резкие отклонения этих осей от среднего простирания, чем для осей максимального девиаторного сжатия. Азимут простирания осей растяжения может варьировать от 0 до 360°, выделяются максимумы 210-220 и 270-310°, угол погружения от 60-90° с максимумом в интервале 70-80° (рис. 3а). Оси промежуточного главного напряжения направлены вдоль простирания о-ва Хонсю и глубоководного желоба. Азимут простирания осей промежуточного главного напряжения с2 имеет два приоритетных направления: 0-70 и 170-240° (рис. 3б). В первом случае с хорошо выраженным максимумом в промежутке 30-40°, во втором - в 190-210°. Угол погружения 0-10°.

В целом такая ориентация осей главных напряжений является типичной для субдукци-онных зон и соответствует режиму горизонтального сжатия (рис. 4). В земной коре центральной части о-ва Хонсю присутствуют области горизонтального сдвига и сжатия со сдвигом. Вдоль глубоководного желоба напряженное состояние относится к типу «горизонтальное растяжение». Рядом с эпицентром землетрясения отмечена область горизонтального сжатия со сдвигом.

Однородным выглядит распределение значений коэффициента Лоде-Надаи, определяющего вид тензора напряжений (рис. 5). Для исследуемой области основной вид тензора напряжений - чистый сдвиг, когда алгебраически максимальное и минимальное главные девиаторные напряжения близки друг к другу по абсолютной величине и противоположны по знаку (промежуточное напряжение равно нулю). Вблизи о-ва Хоккайдо, для земной коры о-ва Хонсю и рядом с эпицентром землетрясения 11 марта 2011 г. наблюдается чистый сдвиг с одноосным сжатием, при этом значения коэффициента Лоде-Надаи смещены в сторону положительных значений.

Рис. 3. Диаграммы распределения числа доменов с различными значениями азимутов и углов погружений: а - оси максимального девиаторного растяжения о1; б - оси промежуточного главного напряжения о2; в - оси максимального девиаторного сжатия о3

Рис. 4. Типы напряженного состояния района о-ва Хон- Рис. 5. Вид тензора напряжений - коэффициент Лоде-

сю перед землетрясением 11 марта 2011 г. (глубина Надаи (и) перед землетрясением 11 марта 2011 г. (глу-

0-30 км): 1 - растяжение; 2 - растяжение-сдвиг; 3 - бина 0-30 км) сдвиг; 4 - сжатие-сдвиг; 5 - сжатие; 6 - подвиг

Типичная для субдукционных зон ориентация осей главных напряжений отражается в устойчивой ориентации касательных напряжений (рис. 6), действующих на горизонтальных площадках с нормалями к центру Земли, в направлении от Тихоокеанской плиты к континентальной. Такая ориентация соответствует представлениям о конвективном механизме воздействия мантии на пододвигающуюся океаническую литосферную плиту, т.е. подобная ориентация показывает направление воздействия активных сил со стороны верхней мантии.

Рис. 6. Ориентация осей поддвиговых касательных напряжений т2 на горизонтальных площадках с нормалью вглубь Земли и их относительная величина т2/т

Для района исследований распределение эффективного всестороннего давления р*/ т^. носит мозаичный характер, однако в целом область подготовки Японского землетрясения 11 марта 2011 г. (интервал глубин 0-30 км) достаточно однородна и соответствует среднему уровню напряжений. Очаг землетрясения находится в области наименьших величин относительного эффективного давления (рис. 7).

Рис. 7. Распределение относительного эффективного всестороннего давления перед землетрясением 11 марта 2011 г.

Заключение

Таким образом, на основании данных, полученных в результате реконструкции поля тектонических напряжений перед землетрясением 11 марта 2011 г. в районе о-ва Хонсю, можно сделать следующие выводы.

В пределах исследуемой области наблюдается типичная для субдукционных зон ориентация осей главных напряжений. Напряженное состояние области возникновения землетрясения, изученное по результатам тектонофизического анализа механизмов очагов землетрясений, отвечает режимам горизонтального сжатия.

Основной вид тензора напряжений - чистый сдвиг (-0,2 < ц < 0,2). Рядом с эпицентром землетрясения отмечен участок сочетания чистого сдвига с одноосным сжатием. Область подготовки землетрясения в целом достаточно однородна, при этом его очаг находился в области локального минимума относительного эффективного давления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 535 с.

2. Гущенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции полей тектонических напряжений // Поля напряжений в литосфере. М.: Наука, 1979. С. 7-25.

3. Гущенко О.И. Сейсмотектонический стресс-мониторинг литосферы (структурно-кинематический принцип и основные элементы алгоритма) // ДАН. 1996. Т. 346, № 3. С. 399-402.

4. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и прочность природных горных массивов. М.: Академкнига, 2007. 406 с.

5. Симуширское землетрясение 9 января 1989 года / Л.Н. Поплавская, А.О. Бобков, А.Н. Бойчук, Н. А. Мита-лева, А.С. Оскорбин, М.И. Рудик, М.И. Стрельцов, И.Н. Тихонов, А.И. Малышев. Препр. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1991. 54 с.

6. Юнга С.Л. Методы и результаты изучения сейсмотектонических деформаций. М.: Наука, 1990. 190 с.

7. Angelier J. Tectonic analysis of fault slip data sets // Geophys. Res. 1984. Vol. 89. P. 5835-5848.