Современная глубина межплитового сцепления в Сахалино-Курильском регионе по данным GPS наблюдений

Вестник ДВО РАН. 2012. № 3

УДК [551.24.02:528.344:629.783]

А.С.ПРЫТКОВ, Н.В.ГРЕЦКИЙ, Н.Ф.ВАСИЛЕНКО

Современная глубина межплитового сцепления в Сахалино-Курильском регионе по данным GPS наблюдений

Представлены результаты геодинамических исследований в Сахалино-Курильском регионе с использованием GPS измерений. Методом инверсии межсейсмических горизонтальных скоростей деформирования земной поверхности построены модели современного взаимодействия Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской литосферных плит. Определены глубины механического сцепления (каплинга) литосферных плит. Выявлена зона отсутствия каплинга в центральной части Курильской островной дуги.

Ключевые слова: GPS измерения, взаимодействие литосферных плит, каплинг, моделирование.

Recent depth of interplate coupling in the Sakhalin-Kuril region from GPS observations. A.S.PRYTKOV, N.V.GRETSKIY, N.F.VASILENKO (Institute of Marine Geology and Geophysics FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

The paper offers results of geodynamic researches in the Sakhalin-Kuril region using GPS measurements. The method of inversion of the interseismic horizontal velocities of the earth surface deformations is used to analyze the models of recent interaction between the Eurasian, North American and Pacific lithosphere plates. The depths of mechanical coupling of lithosphere plates were defined. The zone of absence of mechanical coupling was revealed in the Central Kuril Islands.

Key words: GPS measurements, interaction of lithosphere plates, coupling, modeling.

Современная геодинамика Сахалино-Курильского региона определяется схождением Евразийской, Североамериканской (Охотской) и Тихоокеанской литосферных плит, что проявляется в высокой сейсмической активности в окрестностях плитовых границ. На Сахалине граница Евразийской и Североамериканской плит отождествляется с системой главных субмеридиональных разломов острова [3, 9, 14]: Северо-Сахалинского, Центрально-Сахалинского и Западно-Сахалинского, - имеющих достаточное крутое западное падение. Геодинамика Курильской островной системы связана с субдукционными процессами, происходящими на границе взаимодействия Североамериканской и Тихоокеанской литосферных плит.

Анализ распределения деформаций земной поверхности позволяет моделировать кинематику взаимных движений литосферных плит и оценивать динамику накопления напряжений в пограничных областях. Благодаря этому становится возможным прямое выделение областей распределенных деформаций вдоль границ плит, а путем сопоставления модельных и измеренных скоростей деформирования земной поверхности можно моделировать глубинное строение таких зон.

*ПРЫТКОВ Александр Сергеевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ГРЕЦКИЙ Никита Владимирович - аспирант, техник, ВАСИЛЕНКО Николай Федорович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). *Е-таЛ: vnf@imgg.ru

Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента РФ МК-4575.2011.5 и грантов ДВО РАН № 09-111-А-08-438, 12-111-А-08-185.

Региональные скорости схождения литосферных плит

Для изучения взаимодействия отдельных тектонических блоков или литосферных плит необходимо иметь достаточно точную модель их взаимного сближения. Скорость U взаимного сближения двух плит на их общей границе можно получить, зная вектор Эйлера ^, описывающий относительное движение плит на сфере в системе координат с началом в полюсе вращения плит:

U = Q х г,

где г - радиус-вектор точки на общей границе плит.

Вычислить скорость U можно из геолого-геофизических моделей, а также многочисленных моделей, построенных в последние годы на основе анализа глобальных геодезических сетей (http://www.unavco.org/community_science/science-support/crustal_motion /dxdt/ model.htm). В работе [10] приведены результаты тестирования GPS сети. Выделены стабильные станции, расположенные в пределах внутренних областей литосферных

плит и удаленные от деформируемых границ.

Рис. 1. Модельные скорости схождения литосферных плит в Сахалино-Курильском регионе. Литосферные плиты: Еи - Евразийская, КА - Североамериканская, РА - Тихоокеанская. Плитовые границы показаны согласно модели Земли КИУЕЬ - 1А

В полученном решении параметры вектора Эйлера представлены в виде координат полюса и угловой скорости относительного вращения литосферных плит: для Евразийской и Североамериканской плит - 137.87° в.д., 67.41° с.ш. и 0,226 град. / млн лет, для Североамериканской и Тихоокеанской плит - 286.17° в.д., 51.16° с.ш. и 0,766 град. / млн лет, соответственно.

Модельные скорости схождения литосферных плит (субдукции) в Сахали-но-Курильском регионе представлены на рис. 1. На о-ве Сахалин скорости схождения Евразийской и Североамериканской плит увеличиваются с севера на юг, достигая максимального значения ~10 мм / год. Такой характер деформирования земной поверхности связан с положением полюса взаимного вращения плит западнее хребта Черского. Скорость субдукции Тихоокеанской плиты под Североамериканскую (Охотскую) изменяется от 80 мм / год на севере Ку -рильской островной дуги до 84 мм / год на юге, в районе о-ва Хоккайдо.

Моделирование межсейсмических деформаций земной поверхности на о-ве Сахалин

Деформации земной поверхности в зоне конвергенции литосферных плит можно смоделировать для однородной изотропной упругой среды, разделенной вертикальной плоскостью (рис. 2). Решение двумерной задачи в виде профиля скоростей U на поверхности (вдоль оси х, перпендикулярной плитовой границе) имеет вид [13]:

U . xH x п ч

Ux = — (—;---2 - arctan—+— X

x п x2 + H2 H 2

н

EU NA

и

ч

Рис. 2. Схематическая модель взаимодействия литосферных плит на о-ве Сахалин

где U - скорость схождения литосфер- и

ных плит, перпендикулярная их границе, 0 ^----

мм / год; Н- глубина залегания зоны механического контакта плит, км; х - расстояние до границы плит, км.

Если плитовая граница представлена несколькими разломами, скорость U определяется как сумма скоростей, отнесенных к каждому разлому.

Сопоставление модельных и измеренных скоростей позволяет рассчитать скорости схождения плит и оценить глу -бину их механического сцепления. Для

этого необходимо минимизировать среднеквадратическую невязку измеренных и модельных смещений, используя численные методы поиска минимума функции нескольких переменных:

2 N (X - U )2

X =^ '2 '--------->min,

i=1 а i

где xi - измеренные скорости, мм / год; U - модельные скорости смещения земной поверхности в пунктах наблюдений 1, мм / год; o f - ошибка измерений, N - количество пунктов наблюдений.

Для оценки скорости схождения и глубины механического сцепления Евразийской и Североамериканской литосферных плит на о-ве Сахалин использованы данные GPS наблюдений, полученные на пунктах региональных геодинамических сетей (рис. 3а-5а). Межсейсмические скорости (скорости, не подверженные влиянию сейсмических событий) горизонтальных смещений земной поверхности вычислены относительно Евразийской плиты. Векторы скоростей имеют субширотное направление, практически перпендикулярное плитовой границе. Только в северной части острова наблюдаются компоненты правостороннего субмеридионального сдвига. Скорости пунктов увеличиваются с запада

142° 143° -100 -50 0 50 КМ

Расстояние от Северо-Сахалинского разлома

Рис. 3. Оптимальное решение для измеренных и модельных скоростей деформирования земной поверхности севера о-ва Сахалин.

а - измеренные GPS скорости относительно Евразийской плиты за период 2003-2006 гг. (эллипсы ошибок соответствуют доверительному интервалу 1 а). I - Северо-Сахалинский разлом, II - предполагаемое продолжение Западно-Сахалинского разлома, III - Верхне-Пильтунский разлом, вскрывшийся в результате Нефтегорского землетрясения 1995 г., M = 7,0.

Г ? w ?

б - модель с границей плит по Северо-Сахалинскому разлому: скорость схождения плит - 7,8 мм / год; глубина контакта - 13 км; модельные скорости, перпендикулярные плитовой границе, изображены сплошной линией, измеренные скорости - треугольниками

Рис. 4. Оптимальное решение для измеренных и модельных скоростей деформирования земной поверхности центральной части о-ва Сахалин.

а - измеренные GPS скорости относительно Евразийской плиты за период 2000-2005 гг. (эллипсы ошибок соответствуют доверительному интервалу 1 о). I - Центрально-Сахалинский, II - Западно-Сахалинский разломы. б - модель с границей плит, представленной Центрально-Сахалинским и Западно-Сахалинским разломами; скорость схождения плит - 8,0 мм / год; глубина контакта - 30-40 км; модельные скорости, перпендикулярные плитовой границе, изображены сплошной линией, измеренные скорости - треугольниками

на восток, достигая максимальных значений около 9 мм / год на юге, 6 мм / год в центре и 5 мм / год на севере острова.

Для каждой региональной сети с учетом геологических особенностей рассмотрены три варианта расположения плитовых границ [2]. Для юга и центра о-ва Сахалин построены модели с границей плит, проходящей по Центрально-Сахалинскому, Западно-Сахалинскому разломам и двум разломам совместно. В северной части острова рассмотрены модели с границей по Севе-ро-Сахалинскому разлому, границей по предполагаемому продолжению Западно-Сахалинского разлома и модель с двумя разломами. Сравнение результатов моделирования выполнено с использованием F-критерия.

Деформации земной поверхности северной части острова наилучшим образом согласуются с модельным решением для границы литосферных плит, проходящей по Северо-Сахалинскому

Рис. 5. Оптимальное решение для измеренных и модельных скоростей деформирования земной поверхности юга о-ва Сахалин. а - измеренные GPS скорости относительно Евразийской плиты за период 1999-2009 гг. (эллипсы ошибок соответствуют доверительному интервалу 1 о). I - Центрально-Сахалинский, II - Западно-Сахалинский разломы. б - модель с границей плит, представленной Центрально-Сахалинским и Западно-Сахалинским разломами; скорость схождения плит -10,2 мм / год; глубина контакта - около 20 км; модельные скорости, перпендикулярные пли-товой границе, изображены сплошной линией, измеренные скорости - треугольниками

разлому. Скорость схождения плит 7,8 мм / год при глубине зоны механического контакта 13 км (рис. 3б).

В центральной части и на юге острова наилучшее согласование измеренных и модельных скоростей получено для границы плит, представленной двумя разломами - Центрально- и Западно-Сахалинским. В центре острова скорость схождения литосферных плит составляет 8,0 мм / год, а глубина сцепления на обоих разломах достигает 40 км (рис. 4б). На юге скорость схождения плит 10,2 мм / год, глубина залегания разломов около 20 км (рис. 5б).

Моделирование деформаций земной поверхности на Курильских островах

Межсейсмические скорости деформаций земной поверхности Курильских островов отражают процесс субдукции Тихоокеанской литосферной плиты под Североамериканскую в условиях механически сомкнутой зоны контакта. Анализ измеренных GPS скоростей смещений земной

поверхности различных райо- ^ •&>

нов Курильской островной дуги позволяет оценить параметры субдуктивной зоны.

Деформации земной поверхности Курильской островной дуги за период 2006-2011 гг. приведены на рис. 6. На южном и северном флангах дуги межсейсмические скорости смещений земной поверхности имеют северо-западное направление и величины от 20 мм / год на станции PARM (о-в Параму-шир) до 36 мм / год на станции SHIK (о-в Шикотан). В центральной части островной дуги от северной части о-ва Уруп до о-ва Харимкотан наблюдается интенсивный процесс релаксации напряжений в результате дуплета симуширских землетрясений 15 ноября 2006 г.,

М = 8,3 и 13 января 2007 г.,

w 7 А 7

М = 8,1. Скорости постсейсми-

w

ческой релаксации направлены в сторону глубоководного желоба. Непосредственно после землетрясений они достигали 10 см / год, ежегодно уменьшаясь на 30% [11].

Скорости смещений земной поверхности в зоне субдукции можно смоделировать для упру-

^ Рис. 7. Параметризация глубинного строения зоны субдукции.

ГОГО полупространства, разде- Ось X направлена перпендикулярно желобу, 5 - угол субдукции,

ленного наклонной плоскостью, u - скорость субдукции, С - расстояние до желоба

Рис. 6. Современная геодинамика Курильской островной дуги по данным GPS наблюдений. Светлыми стрелками показаны межсейсмические скорости смещений станций с 2006 г. относительно Североамериканской литосферной плиты, темными - скорости постсейсмической релаксации в результате симуширских землетрясений за период 2007-2009 гг.

вдоль которой происходит деформирование двух его частей [6]. Пододвигающаяся океаническая плита сохраняет жесткость и движется с постоянной скоростью u, изменяя направление от горизонтального вблизи желоба до имеющего максимальный наклон на глубинах в сотни километров (рис. 7).

Решение двумерной задачи в виде профиля скоростей U на поверхности (вдоль оси X, перпендикулярной желобу) для однородной изотропной упругой среды имеет вид [12]: UjX) = (-u/n) {[S- (X + C) cosá] S siná / [(X + C)2 + S2 - 2(X + C)Scosá] +

+ cosá [arctan[(X + C - S cosá / (S siná)] -л/2]}, где á - угол наклона контактной плоскости между плитами, град.; и - скорость их сближения, мм / год; С - расстояние до желоба, км; S - наклонная глубина залегания зоны механического контакта, км.

Глубина залегания зоны механического контакта Североамериканской и Тихоокеанской литосферных плит для известных угла наклона и скорости субдукции получена путем сопоставления измеренных на поверхности межсейсмических GPS скоростей с их модельными значениями [5, 7]. Глубина контакта на севере Курильской островной дуги составляет 30 км. Скорости станций ITUR (о-в Итуруп) и VDLN (о-в Уруп) соответствуют глубине залегания ~40 км. Максимальное накопление деформационных напряжений происходит в южной части Курильской дуги, где глубина залегания зоны механического контакта достигает 60 км.

Процесс релаксации напряжений в результате дуплета симуширских землетрясений продолжается и в настоящее время, что свидетельствует об отсутствии межплитового кап-линга в центральной части Курильской дуги.

Заключение

Современная геодинамика Сахалино-Курильского региона определяется взаимодействием трех литосферных плит - Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской. Методом инверсии межсейсмических GPS скоростей деформирования земной поверхности в окрестностях плитовых границ определены скорости схождения литосферных плит и глубина залегания зоны их механического контакта.

Для севера, центральной части и юга о-ва Сахалин рассмотрены различные модели расположения плитовой границы, проходящей по Северо-, Центрально- и Западно-Сахалинскому разломам. Наибольшая глубина механического сцепления (30-40 км) Евразийской и Североамериканской литосферных плит установлена в центральной части острова. Однако эту оценку следует считать предварительной, так как моделирование выполнено на небольшом количестве исходных данных. На юге острова глубина межплитового сцепления составляет около 20 км, тогда как в северной части не превышает 13 км. Небольшая глубина контакта литосферных плит на севере острова может отражать свободное состояние Верхне-Пильтунского межплитового взбросо-сдвига, проявляющегося в правосторонних смещениях земной поверхности в окрестностях разлома после Нефтегорского землетрясения 1995 г., Mw = 7,0 [1].

Полученные скорости схождения Евразийской и Североамериканской литосферных плит на о-ве Сахалин в пределах точности их определения (~1,5 мм / год) согласуются с моделями взаимодействия плит, построенными в последние годы на основе данных глобальных геодезических сетей.

Интенсивный процесс накопления напряжений происходит на юге Курильской островной дуги, где глубина механического контакта Североамериканской и Тихоокеанской ли-тосферных плит достигает 60 км. Постсейсмическая релаксация напряжений в результате дуплета симуширских землетрясений свидетельствует об отсутствии в настоящее время межплитового сцепления в центральной части островной дуги.

Дополнительным подтверждением состоятельности выполненного моделирования является согласование глубин механического контакта литосферных плит с сейсмичностью региона. На о-ве Сахалин она проявляется в виде коровых землетрясений, более 96% которых происходит на глубинах до 20 км [4]. Очаговые области сильнейших курильских землетрясений с M > 7,5 сосредоточены в зоне субдукции до глубин 70 км [8].

Выполненные исследования современного состояния геометрии межплитового сцепления литосферных плит в Сахалино-Курильском регионе на основе данных GPS наблюдений имеют важное значение для оценки сейсмического потенциала районов исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Василенко Н.Ф., Прытков А.С., Сапрыгин С.М. Горизонтальные движения и генерация сильных землетрясений в недрах Северного Сахалина // Тихоокеан. геология, 2011. Т. 30, № 3. С. 76-80.

2. Василенко Н.Ф., Прытков А.С. Моделирование взаимодействия литосферных плит на о. Сахалин по данным GPS наблюдений // Тихоокеан. геология. 2012. Т. 31, № 1. С. 42-48.

3. Воейкова О. А., Несмеянов С. А., Серебрякова Л.И. Неотектоника и активные разрывы Сахалина. М.: Наука, 2007. 186 с.

4. Поплавская Л.Н., Иващенко А.И., Оскорбин Л.С. и др. Региональный каталог землетрясений острова Сахалин, 1905-2005 гг. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2006. 103 с.

5. Прытков А.С. Сейсмичность как результат взаимодействия литосферных плит (Курильские острова) // Вестн. ДВО РАН. 2008. № 6. С. 151-154.

6. Стеблов ГМ. Взаимодействие тектонических плит в северо-восточной Азии // ДАН. 2004. Т. 394, № 5. С. 689-692.

7. Стеблов ГМ., Василенко Н.Ф., Прытков А.С. и др. Динамика Курило-Камчатской зоны субдукции по данным GPS // Физика Земли. 2010. № 5. С. 77-82.

8. Тараканов РЗ. Размеры очаговых зон сильных землетрясений Курило-Камчатского региона и Японии и проблема максимально возможных магнитуд // Вулканология и сейсмология. 1995. № 1. С. 76-89.

9. Chapman M.E., Solomon S.C. North American-Eurasian plate boundary in northeast Asia // J. Geophys. Res. 1976. Vol. 81. P. 921-930.

10. Kogan M.G., Steblov G.M. Current global plate kinematics from GPS (1995-2007) with the plateconsistent reference frame // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. B04416. D0I:10.1029 / 2007JB005353.

11. Kogan M.G., Vasilenko N.F., Frolov D.I. et al. The mechanism of postseismic deformation triggered by the 2006-2007 great Kuril earthquakes // Geophys. Res. Lett. 2011. D0I:2011GL046855.

12. Savage J.C. A dislocation model of strain accumulation and release at a subduction zone // J. Geophys. Res. 1983. Vol. 88, N B6. P. 4984-4996.

13. Shimazaki K., Zhao Y. Dislocation model for strain accumulation in plate collision zone // Earth Planets Space. 2000. Vol. 52, N 11. P. 1091-1094.

14. Zonenshain L.P., Savostin L.A. Geodynamics of the Baikal rift zone and plate tectonics of Asia // Tectono-physics. 1981. Vol. 76. P 1^5.