Элементы структуры и фазы развития афтершокового процесса Чуйского землетрясения

УДК 550.348.436, 571.15

Элементы структуры и фазы развития афтершокового процесса Чуйского землетрясения

А.А. Еманов, Е.В. Лескова, А.Ф. Еманов1, А.В. Фатеев

Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН им. А.А. Трофимука, Новосибирск, 630090, Россия 1 Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия

На основе исследований с временными сетями станций, обработанных совместно с данными стационарной сети Алтайского сейсмологического полигона, детально изучена пространственно-временная структура афтершокового процесса Чуйского землетрясения. Выделены пространственные элементы афтершоковой области, разделенные вертикальными зонами затишья и приуроченные к разным блокам земной коры: Чаган-Узунский блок, угол Чуйской впадины и два блока, соответствующие Курайской впадине. Установлено, что эта впадина в поле афтершоков проявляет себя в виде двух элементов. Выявлены две фазы в развитии афтершокового процесса. Вторая фаза начинается вторым крупным афтершоком 01.10.2003 г., 01:03 (Ms = 6.6), формируется новый элемент в структуре афтершокового процесса, и меняются характеристики афтершоковой области в целом.

Ключевые слова: землетрясение, Алтай, физика очага, афтершоки, сдвиг

Structural elements and phases of the aftershock process of the Chuya earthquake

A.A. Emanov, E.V. Leskova, A.F. Emanov1 and A.V. Fateev

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia 1 Altai-Sayan Branch of Geophysical Survey SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia

Temporary seismic networks and the Altai seismological polygon provide data for the detailed study of the spatio-temporal structure of the aftershock process of the Chuya earthquake. We determine spatial elements of the aftershock region, which are separated by vertical inactive zones and related to different crustal blocks, namely, the Chagan-Usun block, the north-western corner of the Chuya depression and two blocks of the Kurai depression. Being in the aftershock field the latter depression manifests itself as two elements. The aftershock process is found to develop in two phases. The second phase starts with the second large aftershock, October 1, 2003, 01:03 a.m. (Ms = = 6.6), a new element is formed in the structure of the aftershock process and the aftershock region changes its characteristics.

Keywords: earthquake, Altai, physics of the earthquake focus, aftershocks, shear

Чуйское землетрясение 27 сентября 2003 г. с магни-тудой М 8 = 7.3 вызвало мощный афтершоковый процесс, который не завершился к настоящему времени. Землетрясение произошло в зоне сочленения Чаган-Узунского блока с Северо-Чуйским хребтом. Этот район имеет ярко выраженное блочное строение. Чуйская и Курайская впадины, разделенные Чаган-Узунским приподнятым блоком, обрамлены с юго-запада Южно-Чуйским и Северо-Чуйским, а с северо-востока — Ку-райским и Айгулакским хребтами. В целой серии работ

[1-6] авторы рассматривают параметры главного события и двух крупнейших афтершоков. Главное событие произошло в 11 ч 33 мин по Гринвичу и имело энергию К = 17, М8 = 7.3, крупнейшие афтершоки произошли: первый — 27.09.2003 г. в 18:52 по Гринвичу, К = 16.6, М 8 = 6.4, второй — 01.10.2003 г. в 01:03 по Гринвичу, К = 16.4, М 8 = 6.6. Эти три события по своей энергии существенно превосходят все остальные афтершоки и справедливо приковывают к себе внимание исследователей. У разных авторов имеются небольшие различия

© Еманов A.A., Лескова Е.В., Еманов А.Ф., Фатеев A.B., 2009

в определениях механизмов очагов этих событий, более значимые отличия в координатах, и лишь в небольшом количестве работ определяется глубина этих событий.

В данной работе мы используем записи сети станций Алтайского сейсмологического полигона, которая была сформирована в количестве 12 станций за год до Чуйс-кого землетрясения [7] и дополнена до 15 станций после землетрясения, а также региональную сеть станций. При изучении афтершокового процесса в целом мы будем также опираться на данные временных сетей (десятки станций), неоднократно развертываемых в Чуйс-ко-Курайской зоне [8]. Большое количество близкорасположенных станций позволило достичь высокой точности в определении координат и глубин афтершоков. В данной работе мы опираемся на эти данные как на более точные, по сравнению с определениями по удаленным станциям мировой сети и телесейсмическим станциям России.

Даже по предварительным данным станций Алтая было обнаружено существование двух фаз в развитии афтершокового процесса [2, 9]. Облако афтершоков, округлое по форме в начальной стадии, превратилось в линейно вытянутую зону афтершоков в последующем.

Важным моментом, обнаруженным в развитии афтер-шокового процесса, является поэлементная структура области афтершоков [3, 10].

В данной работе детально изучаются фазы развития афтершокового процесса Чуйского землетрясения и поэлементная структура.

Нам известно, что в первые дни протекания афтер-шокового процесса произошло изменение структуры процесса, но в данной работе мы уточним, когда именно это произошло, и выясним, связано ли это с крупнейшими афтершоками. В исследовании поэлементного строения области афтершоков нас будет интересовать вопрос: сохраняется ли структура во времени и связаны ли элементы структуры с крупнейшими событиями данной активизации?

На рис. 1 представлены карты афтершоков, характеризующие развитие афтершокового процесса во времени. На картах для разных временны х интервалов нанесены все землетрясения с К > 7.5. Координаты гипоцентров строились с учетом слоистой скоростной модели среды. Подробнее с методикой уточнения положения гипоцентров можно ознакомиться в работах [3, 10]. На карте (рис. 1, а) представлены главное событие (звездоч-

50°0'

50°0'

50°30'

ш

50°30'

49°30'

49°30'

87°0' 87°30' 88°0' 88°30' 89°0' 87°0' 87°30' 88°0' 88°30' 89°0'

^ Крупнейшие события активизации

• о ООО О

8 9 10 11 12 13-14

Рис. 1. Карты афтершоков

50°0'

50°0'

49°30'

87°0' 87°30' 88°0' 88°30'

50°30'

49°30'

89°0'

87°0'

50°30'

87°30'

88°0'

88°30'

89°0'

50°30'

49°30'

86°30' 87°0' 87°30' 88°0' 88°30' 89°0' 89°30'

Рис. 2. Область и линии сноса пространственно-временного анализа афтершокового процесса и крупнейшие события активизации

ка) и афтершоки до первого крупного афтершока. На рис. 1, б звездочкой представлен первый крупный аф-тершок и события после него до второго крупного афтершока, на рис. 1, в — второй крупный афтершок и события в течение 3 дней после него, на рис. 1, г нанесены эпицентры событий за последующий месяц. Карта (рис. 1, а) показывает, что возникший афтершоковый процесс преимущественно протекает на границе Чаган-Узунского блока с Северо-Чуйским хребтом. Афтершо-ковое облако достаточно широкое и ветвями входящее в северо-западный угол Чуйской впадины. Землетрясения небольших энергий регистрируются по всему Ча-ган-Узунскому блоку. Небольшое количество землетрясений происходит в Курайском хребте и даже севернее его. Курайская впадина слабо затронута процессом и выглядит как блок, ограничивающий афтершоковый процесс. Первый крупный афтершок происходит посередине границы Курайской впадины с Северо-Чуйским хребтом, т.е. на участке, прежде свободном от афтершо-ков. Облако событий после этого афтершока стало более узким и вытянутым, но северо-западным окончанием афтершоковой области стал сам наиболее сильный аф-тершок. Землетрясения вытянулись от него в юго-восточном направлении. Второй крупный афтершок, представленный на карте (рис. 1, в), происходит вблизи первого, чуть сместившись к югу (рис. 2). В течение трех дней после него наиболее активна вся граница Курайской впадины с Северо-Чуйским хребтом. Произошло удлинение афтершоковой области. За последующий месяц сформировалась вытянутая и узкая афтершоковая область. Именно в таком виде мы ее видим в последующие годы.

Рисунок 1 демонстрирует эволюционные изменения афтешокового процесса дискретно по набору малого количества карт. В этом случае мы теряем разрешение в изучении эволюции во времени. Чтобы восполнить этот недостаток мы исключим одно из пространственных измерений и добавим время. На рис. 2 изображен прямоугольник, по площади которого все землетрясения будут проецироваться с разворотом во времени на две перпендикулярные линии, пересекающиеся в эпицентре Чуйского землетрясения. Таким образом, мы будем рассматривать развитие во времени афтершокового процесса вдоль и поперек активизации (рис. 3). Главное событие вызвало афтершоковый процесс по направлению вдоль длинной оси протяженностью около 50 км, а с учетом малоинтенсивного процесса — около 90 км, такие же примерно размеры мы имели и по ширине активизированной области, но длина процесса свелась к 50 км, а ширина наиболее интенсивной части составила 10 км. Афтершок 27 сентября с магнитудой 6.4 фактически не меняет параметров афтершокового процесса. Ширина области афтершоков остается прежней, а увеличение длины области, вызванное афтершоками, почти синхронными с этим толчком, через несколько часов исчезло. Рисунок 1, б демонстрирует, что после этого афтершока в районе его эпицентра событий практически не происходит. Данное событие не внесло значимых изменений в протекание афтершокового процесса.

Второй крупный афтершок оказал огромное влияние на весь процесс. На рис. 3, а мы видим, что наиболее интенсивный процесс сместился к северо-западу. Вдоль границы Курайской впадины и Северо-Чуйского хребта

Ш

Рис. 3. Пространственно-временной анализ афтершокового процесса (27 сентября - 03 октября 2003 г., К > 6) вдоль (а) и поперек (б) активизации

длина интенсивного афтершокового процесса составила 30 км. Интенсивность афтершокового процесса в остальной области снизилась. Рисунок 3, б показывает, что рассматриваемое событие вызвало активизацию, быстро распространившуюся вглубь Курайской впадины и быстро стянувшуюся в полосу, несколько смещенную к впадине от прежнего процесса.

Афтершок 01.10.2003 г. в значительной степени изменил протекание афтершокового процесса и с него начинается развитие второй фазы, когда мы наблюдаем активизацию линейно вытянутой узкой области афтер-шоков.

Уже в предыдущих работах было показано, что афтершоковый процесс во второй фазе своего развития не является простой линейной зоной. Были выявлены элементы структуры афтершоков [10]. Поэлементное строение афтершоковой области подтверждено и при массовом изучении механизмов очагов. На границах элементов сдвиги сменялись взбросами [4].

Для изучения поэлементной структуры афтершоков и определения степени ее устойчивости во времени воспользуемся набором высокоточных данных, представляющих из себя фрагменты по времени в изучении афтершокового процесса и выше заданной нормы ошибки

в определении гипоцентра слабых землетрясений, обработать которые можно только по ближайшим станциям. Ежегодно в зоне Чуйского землетрясения проводились эксперименты с локальными сетями [8]. Именно для этих экспериментов мы имеем высокоточные определения координат и глубин землетрясений. Фактически, анализируются данные за период с 2003 по 2007 гг. с перерывами. На рис. 4 представлена карта эпицентров выбранных событий. Черные линии, перпендикулярные активизации являются границами ранее выделенных элементов афтершокового процесса. Даже на карте можно видеть, что поэлементное деление афтершоковой области устойчиво сохраняется во времени. Еще отчетливее это выявляется на разрезе по линии А -В.

Сейсмический процесс на границе Чаган-Узунского блока с Северо-Чуйским хребтом образует самостоятельный элемент, отделенный от соседних областей вертикальными зонами с пониженным числом афтершоков. На карте это элемент III. Землетрясения в этом элементе распределены в интервале глубин от дневной поверхности до 20 км. Наибольшее число афтершоков — в интервале глубин 4-10 км. Разрез вкрест данного элемента показывает, что область афтершоков шириной 10 км слегка наклонена в сторону Чаган-Узунского блока, а на глубинах 10-20 км более редкое облако афтершоков в виде горизонтального сейсмоактивного слоя заходит под этот блок на всю его площадь. Чуйской впадине соответствует элемент IV: он отделен вертикальной зоной затишья от сейсмического процесса в Чаган-Узунском блоке. Наблюдается постепенное выклинивание к дневной поверхности сейсмоактивного слоя с удалением от эпицентра Чуйского землетрясения. Обнаруживается двухъярусное по глубине строение сейсмоактивного слоя в этом элементе: первый ярус составляют землетрясения на глубинах до 2 км. После перерыва в 1-2 км начинается основная область активизации. По площади данный элемент похож на треугольник, одна из вершин которого примыкает к соседнему элементу афтершокового процесса. В поперечном разрезе IV данный элемент имеет сложный вид. Такой вид активизированной области, охватывающий северо-западный угол Чуйской впадины, по-видимому, связан со сложным процессом деструкции приподнятого блока впадины. Здесь нет единого разлома, а процесс заканчивается ветвлением и выходом на поверхность.

Элемент II от угла Чаган-Узунского блока до долины р. Актру является самым коротким элементом афтер-шокового процесса. Он отделен вертикальной зоной затишья от Чаган-Узунского блока и имеет также двухъярусное строение. Верхний ярус составляют землетрясения на глубинах до 2 км. На глубинах 2-5 км обнаруживается слой пониженной сейсмической активности. Он хорошо виден и на поперечном разрезе II. Основная сейсмоактивная область данного элемента не достигает

Расстояние по линии поперек активизации, км

Расстояние по линии вдоль активизации, км -60 А -40 -20 0 20 40 B

Рис. 4. Трехмерная структура афтершокового процесса

глубины 20 км. На поперечном разрезе мы видим сейсмоактивную область, расширяющуюся с глубиной.

Элемент I — северо-западное окончание афтершо-ковой области. Мы видим такое же двухъярусное строение сейсмоактивной области. Кроме того, виден сейсмоактивный слой, плавно выклинивающийся к окончанию афтершоковой области. В поперечном сечении можно отметить уверенный наклон активизированной области под Северо-Чуйский хребет. Некоторые другие особенности структуры этого элемента можно найти в работах [3, 10].

Рисунок 5 демонстрирует развитие во времени афтершокового процесса. Данные локальных экспериментов с детальными сетями проведены в разное время. На рис. 5, а представлен разрез вдоль линии А-В (рис. 4) для первой фазы афтершокового процесса. На разрезе присутствуют события с энергетическим классом K > >7.5. Мы видим, что первый крупный афтершок не вызвал значимой активизации вокруг себя. Начало второй фазы активизации представлено на рис. 5, б. Второй крупный афтершок активизировал северо-западный элемент афтершокового процесса. Сформировалась наклонная, выклинивающаяся к поверхности область афтершоков. Активен приповерхностный слой. Рисунок 5, в демонстрирует умеренную активность всех эле-

ментов в последующие годы (2004-2006 гг.). Рисунок 5, г показывает, что в 2007 г. наибольшая сейсмическая активность регистрируется в III и IV элементах. Поэлементная структура афтершокового процесса устойчиво сохраняется во времени. Интересным является факт появления группы землетрясений (слева на рис. 5, г) на глубинах 10-20 км. Эта группа событий относится к Айгулакскому хребту. Чуйское землетрясение вызвало описываемый афтершоковый процесс, и в этот момент прежде сейсмически активные до землетрясения Курайский и Айгулакский хребты оказались практически асейсмичными. В 2007 г. мы наблюдаем как бы удлинение афтершоковой области и возобновление активности одной из сейсмоактивных структур на Айгу-лакском хребте.

Обсуждение результатов

Полученные результаты показывают, что такое крупное землетрясение, как Чуйское, вызывает сложный процесс, в значительной степени зависящий от блочного строения эпицентральной области. Эпицентральная область главного события формирует элемент афтершо-ковой области, по своему строению отличающийся от остальных элементов. В Чуйской впадине формируется

0

Рис. 5. Развитие афтершокового процесса во времени: события первой фазы развития афтершокового процесса

площадная активизация северо-западного угла. Это отделенный разломами от эпицентральной области соседний блок земной коры. Сильное воздействие Чуйского землетрясения на него создает элемент афтершокового процесса с характеристиками, соответствующими строению блока. Именно активизированный угол приподнят относительно остальной части впадины. При этом присутствуют и наклон впадины, и ступени тектонической природы. Сейсмический процесс в этом элементе в площадном плане распределился на множество мелких разрывов и проходит при отсутствии особо крупных афтершоков. На границе Курайской впадины с Северо-Чуйским хребтом сформировались два элемента афтершокового процесса. При этом Курайская впадина имеет неоднородное строение. Юго-восточная часть впадины, соприкасающаяся с элементом II, достаточно плоская, а северо-западная часть Курайской впадины холмистая и приподнятая. Оба элемента афтершокового процесса, изгибаясь в районе р. Актру, уходят в Курайскую впадину, пересекая друг друга. Наличие фаз развития афтершокового процесса во времени говорит о распределенности во времени процесса разрядки

напряженного состояния в блочной среде. Сейсмический процесс первой фазы фактически не затронул северо-западного элемента афтершокового процесса, землетрясений в этом элементе не было. Во втором элементе активизации произошло крупнейшее событие 27.09.2003 г., М8 = 6.4. Удивительно, что столь крупное землетрясение не вызвало значимого усиления афтершокового процесса. По своим координатам это событие сместилось в Курайскую впадину к изогнутому окончанию данного элемента. Возможно, в этом и кроется причина. Н.Д. Жалковский неоднократно высказывал мысль, что чем сейсмически активней геологическая структура в фоновой сейсмичности, тем более длительный и сильный мы наблюдаем афтершоковый процесс при крупном землетрясении. В данном районе впадины асейсмичны при отсутствии активизаций. Крупное событие, сместившееся во впадину, не сопровождалось сильным афтершоковым процессом в этой зоне.

Существование северо-восточного элемента (элемент I) указывает на то, что Курайская впадина в поле афтершокового процесса — это не один блок земной коры, а два. По-видимому, тектонические процессы,