Физика Земли, 2022, № 4, стр. 19-29

ВВЕДЕНИЕ

Анализ характера современных движений Фенноскандии – актуальная и интересная задача, решение которой значимо для понимания основных особенностей сейсмичности этой густонаселенной и хорошо освоенной в хозяйственном отношении территории. Максимальная магнитуда землетрясений за исторический период составляет около 6.5, однако в геологическом прошлом здесь происходили сейсмические события магнитудой ≥8 [Лукк и др., 2019]. Изучение скоростей смещения пунктов ГНСС – один из методов, позволяющих получить информацию о поле современных деформаций: оценить их интенсивность, реконструировать положение главных нормальных осей. Выбор Фенноскандии в качестве региона исследований обусловлен возможностью детального изучения современной геодинамики: в ее пределах расположено значительное количество пунктов ГНСС (табл. 1), с 1800 г. зафиксированы более 4 × 10³ эпицентров землетрясений [Сейсмологический…, 2021а; 2021б; 2021в]. В этой связи рассматриваемая область привлекает внимание многих исследователей. Среди недавних работ, посвященных вопросам анализа современных движений, выделяется статья [Keiding et al., 2015], в которой по данным GPS определены ориентировки осей деформаций и оценены их величины, проанализированы решения фокальных механизмов очагов землетрясений. Новизна проведенного нами исследования заключается в следующем: 1) учтены результаты многолетних ГНСС наблюдений, выполненных лабораторией спутниковых методов изучения геофизических процессов ИФЗ РАН; 2) база данных решений фокальных механизмов очагов землетрясений [Keiding et al., 2015] дополнена новыми решениями; 3) для ее обработки использован метод катакластического анализа разрывных смещений (МКА) Ю.Л. Ребецкого [Ребецкий и др., 2017]; 4) при анализе современных деформаций по данным ГНСС использован метод наложенных триангуляций [Зубович, Мухамедиев, 2010] и выполнена реконструкция осей удлинения–укорочения.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Источниками информации о расположении и скоростях перемещений пунктов ГНСС на территории Фенноскандии послужили материалы, опубликованные в открытом доступе геодезической лабораторией университета Невады [Blewitt et al., 2018], Центром геодезии картографии и ИПД [Сервис…, 2021], а также данные лаборатории спутниковых методов изучения геофизических процессов ИФЗ РАН. Эти материалы позволили охарактеризовать поля скоростей современных движений и деформаций в единой системе отсчета ITRF2014 по достаточно равномерной сети наблюдений, охват и густота которой достаточны для исследований регионального масштаба. По приведенным в табл. 1 исходным данным выполнены расчеты величин линейной (${{{{\varepsilon }}}_{L}}$) и площадной (${{{{\varepsilon }}}_{S}}$) деформации, составлена схема скоростей современных вертикальных движений изучаемой территории.

Для оценки величин деформаций по скоростям горизонтальных перемещений пунктов ГНСС в программе Generic Mapping Tools выполнена триангуляция Делоне (1934), в результате которой построена расчетная сетка из 127 треугольников. Их количество увеличено до 575 с помощью методического приема, описанного в работе [Зубович, Мухамедиев, 2010]. Его суть заключается в разделении диагональю каждого четырехугольника, образованного двумя смежными треугольниками. Величина площадной относительной деформации (дилатации) (${{{{\varepsilon }}}_{S}}$) рассчитана по формуле:

где: ${{S}_{1}}$ – площадь треугольника (м²); ${{S}_{2}}$ – площадь треугольника с учетом смещения его вершин за 1 год. Площади ${{S}_{1}}$ и ${{S}_{2}}$ вычислены с помощью стандартных инструментов программы ArcGis. Апробированы разные варианты графического представления схемы величины дилатации (в том числе обычными инструментами интерполяции – методами обратно взвешенных расстояний, сплайн-функции и др.). На наш взгляд, оптимальным является присвоение значений ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ центрам блоков, построенных по принципу мозаики Вороного [Voronoi, 1908], предполагающей разбиение территории на множество многоугольников таким образом, что каждая сторона многоугольника расположена на середине отрезка, соединяющего ближайшие пункты ГНСС, и ортогональна этому отрезку. Методика составления этой блоковой схемы заключается в следующем: 1) в программе Global Mapper построена мозаика Вороного (пункты ГНСС расположены в центрах блоков); 2) схема расчетных треугольников преобразована в множество равноудаленных точек, которым присвоены значения ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$; 3) рассчитано среднее значение ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ для точек, попадающих в пределы каждого блока (рис. 1).

Для того чтобы сделать выводы об ориентировках осей деформации, использована исходная схема триангуляции Делоне пунктов ГНСС. Ориентировка осей удлинения и укорочения в каждом треугольнике, образованным станциями ГНСС, вычислена по методике из работ [Рикитаки, 1979; Теркот, Шуберт, 1985], подробно описанной в работе [Бабешко и др., 2016]. Она сводится к решению матричного уравнения $Az = d$, где

Координаты вершин каждого треугольника Делоне обозначены ${{x}_{i}},~{{y}_{i}}$; приращения координат в меридиональном направлении за 1 год – ${{v}_{i}}$, в широтном – ${{u}_{i}}$. Азимут простирания одной из главных осей деформации (θ) вычислен по формуле:

Из-за отсутствия формального критерия выбора между ориентировками осей удлинения и укорочения, нами оценены деформации отрезков (${{{{\varepsilon }}}_{L}}$), соединяющих соседние станции, по формуле:

где: ${{L}_{1}}$ – начальное расстояние между станциями (м); ${{L}_{2}}$ – расстояние между станциями с учетом их смещения за 1 год. Кроме того, линейная относительная деформация ${{{{\varepsilon }}}_{L}}$ рассчитана для отрезков HOFN-TORS и TORS-TRDS с целью показать наличие сжатия со стороны Срединно-Атлантического хребта, которое может влиять на современные геодинамические процессы Фенноскандии. Использованная при расчетах ${{{{\varepsilon }}}_{L}}$ информация о расположении и скоростях 3-х упомянутых станций приведена на сайте Калифорнийского технологического института в системе отсчета IGS14 в декартовой системе координат [GNSS…, 2022].

Результаты реконструкции ориентировок осей удлинения–укорочения треугольников сопоставлены с решениями фокальных механизмов очагов землетрясений, рассмотренных в работах [International…, 2021; Keiding et al., 2015; Usoltseva, Kozlovskaya, 2016; Wiejacz, 2006; Ассиновская, Овсов, 2008]. Обработка данных выполнена в программе STRESSgeol, реализующей положения МКА Ю.Л. Ребецкого. Эта методика позволила в автоматизированном режиме выделить кинематические группы, каждой из которых соответствует определенный тип напряженно-деформированного состояния. Разделение решений фокальных механизмов очагов землетрясений на такие группы подчинено принципу максимальности уменьшения (диссипации) энергии упругих деформаций при минимальном количестве групп. Более подробно МКА Ю.Л. Ребецкого, алгоритм и интерфейс программы STRESSgeol рассмотрены в монографии [Ребецкий и др., 2017]. Для того чтобы показать, как изменяются ориентировки главных осей напряжений в центральной части Фенноскандии и на ее периферии, сделан расчет напряженного состояния с использованием МКА Ю.Л. Ребецкого для 2 опорных участков.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На схеме величин дилатации (${{{{\varepsilon }}}_{S}}$), построенной по данным анализа скоростей горизонтальных перемещений пунктов ГНСС, преобладают области положительных значений ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$, в то время как отрицательные зафиксированы только на северо-восточной окраине Фенноскандинавского щита (рис. 1). Эта особенность указывает на доминирование обстановок сдвига и/или растяжения, при которых площади расчетных треугольников увеличиваются. Уменьшение площади элементов покрытия в зоне Ладожского озера – Кандалакшского грабена объяснимо влиянием сжимающих напряжений. Отмечено последовательное уменьшение величин ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ от центральной части Фенноскандии (максимум наблюдаются на севере Ботнического залива) к ее периферии, коррелирующее с уменьшением скорости современных вертикальных движений в том же направлении. Эта закономерность, наряду с воздыманием большинства пунктов ГНСС, позволяет предположить, что положительный знак дилатации ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ чаще всего соответствует изгибу рельефа вверх, хотя в общем случае положительные значения ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ могут соответствовать как поднятиям, так и опусканиям поверхности.

На наш взгляд, основные особенности распределения ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ по площади изучаемой территории объяснимы ее развитием как растущего поднятия, испытывающего горизонтальное сжатие. Центр поднятия расположен в районе Ботнического залива, где скорости современных вертикальных движений достигают 10.7 ± 0.7 мм/год (рис. 2). Это значение на 2 мм/год превышает максимальную скорость поднятия, приведенную в работе [Kierulf, 2014], что объяснимо погреш-ностью измерений, различиями исходных данных и систем отсчета. Общее горизонтальное сжатие территории может быть связано с влиянием спрединга Срединно-Атлантического хребта, служащее причиной проявления больших значений ${{{{\varepsilon }}}_{S}}~$ на западном побережье Фенноскандии по сравнению с ее восточной окраиной. По мнению ряда исследователей [Зыков, Полещук, 2016; Макарова и др., 2016], латеральное давление со стороны Атлантического океана – значимый фактор формирования и эволюции новейших морфоструктур Балтийского щита. Проведенные нами расчеты линейной относительной деформации ${{{{\varepsilon }}}_{L}}$ показали, что расстояние между станциями HOFN (восточное побережье Исландии) и TORS (Фарерские острова) сокращается, значение ${{{{\varepsilon }}}_{L}}$ составляет $ - 4.8 \times {{10}^{{ - 9}}}$. Также происходит укорочение отрезка TORS-TRDS (${{{{\varepsilon }}}_{L}} = - 2.5 \times {{10}^{{ - 9}}}$), северо-восточный конец которого расположен на окраине Тронхейма. Однако из-за малого количества станций на островах Северной Атлантики затруднительно оценить роль спрединга как источника современных деформаций Фенноскандии с высокой степенью точности по данным ГНСС.

По нашему мнению, отмеченное изменение величин ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ на фоне сводового поднятия Фенноскандии объяснимо в рамках тектонофизической модели, описанной в монографии [Белоусов, Гзовский, 1964]. Суть эксперимента заключалась в том, что с помощью системы штампов смоделирован рост антиклинального поднятия, развивающегося при слабом горизонтальном сжатии, которое само по себе не вызывает изгиба модели. Установлено, что в центральной части этого поднятия сконцентрированы максимальные напряжения и проявляется обстановка растяжения, а его краевые участки испытывают горизонтальное сжатие при меньших величинах напряжений. В целом условия эксперимента соответствуют условиям деформирования Фенноскандии на современном этапе по следующим соображениям. 1). По данным ГНСС зафиксировано сводовое поднятие территории, происходящее при незначительном сжатии со стороны Северной Атлантики: рассчитанные нами значения ${{{{\varepsilon }}}_{L}}$ и ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ имеют порядок 10^–9 и недостаточны как для разрушения пород верхней части земной коры, согласно [Руководство…, 2022], так и для изгиба литосферы всей Фенноскандии. Превышение горизонтальных скоростей пунктов ГНСС по сравнению с вертикальными не противоречит схеме нагружения модели В.В. Белоусова и М.В. Гзовского, поскольку горизонтальные движения этих пунктов связаны, прежде всего, с перемещением всей Евразийской плиты в северо-восточном направлении, и в меньшей степени – с деформациями литосферы Фенноскандии. Эти данные свидетельствуют о развитии Фенноскандии как поднятия в обстановке слабого горизонтального сжатия. 2). Несмотря на отсутствие жестких блоков (инденторов), инициирующих деформации как штампы в модели, на данном этапе исследований эксперимент В.В. Белоусова и М.В. Гзовского представляется в определенном приближении корректным с точки зрения критериев подобия, поскольку общая схема нагружения модели соответствует представлениям об ориентировках главных нормальных осей напряжений при дегляциации Фенноскандии. Кроме того, в методическом отношении достаточно сложно провести моделирование колебаний земной коры, вызванных перераспределением подкорового вещества при снятии ледовой нагрузки [Зыков, Полещук, 2016] на оптически активных материалах, а использование других модельных веществ, не обладающих оптической активностью, существенно затруднит оценку величин деформации и реконструкцию траекторий главных нормальных осей напряжений.

Рассмотрим соотношение величин дилатации с конфигурацией зон возможных очагов землетрясений (ВОЗ), ранее выделенных нами по данным анализа сводного сейсмологического каталога и компьютерного геодинамического моделирования [Сенцов, Агибалов, 2021]. Одна из таких зон, Ботническая, приурочена к области максимальных значений ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ в районе одноименного залива, а для остальных зон ВОЗ непосредственной взаимосвязи с максимумами ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ не установлено. На наш взгляд, это связано с тем, что на характер сейсмичности влияет множество геологических процессов, в том числе: 1) гравитационные изгибные деформации на контакте континента и морского шельфа вдоль побережья Норвегии [Лукк и др., 2019], не учтенные нами при построении схемы величин ε из-за отсутствия пунктов ГНСС на шельфе; 2) конфигурация активных разломов, рассмотренная на региональном масштабном уровне в работах [База данных…, 2021; Бачманов и др., 2017]. Оба фактора проявлены в Норвежской зоне ВОЗ, для которой установлено наибольшее для всей рассматриваемой территории значение магнитуды землетрясения за инструментальный период наблюдений – 5.9. В то же время медианные значения ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$, рассчитанные в пределах большинства зон ВОЗ, превышают аналогичную величину, вычисленную для всей изучаемой области. Например, один из локальных максимумов плотности эпицентров землетрясений наблюдается в юго-западной части территории (Венернская и Центрально-Норвежская зоны ВОЗ), где величины дилатации составляют 3.5–4.0 × 10^–9 (при медианном значении ${{{{\varepsilon }}}_{S}} = 2.3 \times {{10}^{{ - 9}}}$ и аналогичном значении, рассчитанном без учета знака $\left| {{{{{\varepsilon }}}_{S}}} \right| = 2.8 \times {{10}^{{ - 9}}}$) (табл. 2). Здесь также проходят несколько крупных разломов северо-западного и северо-восточного простирания. Аналогичная особенность – наличие активных разломов в сочетании с достаточно высокими по модулю величинами ${{{{\varepsilon }}}_{S}}$ – проявлена в пределах юго-восточной части Беломорской зоны ВОЗ, соответствующей Кандалакшскому грабену.

Для понимания основных закономерностей современных геодинамических процессов значима информация об ориентировках главных нормальных осей напряжений. Анализ триангуляционной сети показал, что в большинстве случаев треугольники укорачиваются в северо-западном направлении (среднее круговое значение азимута простирания оси укорочения – 135°). При обработке 105 решений фокальных механизмов очагов землетрясений в программе STRESSgeol выделены 5 кинематических групп (табл. 3, рис. 3). Первая, наиболее представительная группа состоит из 31 элемента. Ей соответствует взбросо-сдвиговый тип напряженного состояния, ось сжатия ориентирована субгоризонтально по азимуту 138°. Вторая по количеству элементов группа указывает на проявление горизонтального сжатия, ось которого простирается в запад–северо-западных румбах. Эти типы внешней нагрузки преобладают на периферии Фенноскандинавского щита, для которой известно большинство решений фокальных механизмов очагов землетрясений. Менее представительные группы отражают локальные стресс-состояния: достаточно распространены взбросо-сдвиговые деформации, происходящие при северо-западном сжатии (группа III); на побережье Ботнического залива и фьордах Норвежского моря, а также в северной части грабена Осло сейсмические события происходили в обстановке растяжения (группы IV и V). Растяжение Ботнического залива на современном этапе подтверждено увеличением длин отрезков, соединяющих пункты ГНСС 0NYB-OUL2, 0NYB-PYHA, SKE0-PYHA, RAT0-PYHA, RAT0-VAAS, UME6-VAAS, VAAS-0ORN, 0VIB-VAAS; проявление аналогичной обстановки на севере грабена Осло и во фьордах Норвежского моря можно предположить по геоморфологическим признакам. Полученные результаты согласуются с представлениями об общем северо-западном сжатии Фенноскандии и растяжении сводовой части Балтийского щита на севере Ботнического залива [Keiding et al., 2015].

Расчет напряженного состояния МКА Ю.Л. Ребецкого для 2 опорных участков показал существенные различие ориентировок главных нормальных осей напряжений в центральной части Фенноскандии и на ее периферии. На юго-западе территории (участок А) представительность механизмов очагов землетрясений достаточно высокая. МКА Ю.Л. Ребецкого 40 таких механизмов разделены на 3 кинематические группы, наиболее крупная из которых состоит из 14 элементов. Ей соответствует взбросо-сдвиговый тип внешней нагрузки с полого наклонной осью сжатия, простирающейся в северо-западном направлении. В районе Ботнического залива (участок Б) известны 8 решений очагов, 6 из которых относятся одной кинематической группе. МКА Ю.Л. Ребецкого показано, что здесь проявлен сдвиго-сбросовый тип напряженного состояния (табл. 4). Полученные результаты согласуются как с рассмотренными выше данными анализа ГНСС, так и с ранее проведенной нами реконструкцией стресс-состояния Фенноскандии с использованием структурно-геоморфологических методов и компьютерного геодинамического моделирования [Сенцов, Агибалов, 2021].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. На современном этапе Фенноскандия развивается как сводовое поднятие в обстановке северо-западного сжатия. Его центральная часть (север Ботнического залива) испытывает растяжение, на периферии преобладает взбросо-сдвиговое поле напряжений, на северо-восточной окраине (от Ладожского озера до Кандалакшского залива) – сжатие.

2. В целом наблюдается уменьшение величины современной деформации от Ботнического залива к периферии Фенноскандинавского щита.

3. Большинство ранее выделенных нами зон ВОЗ [Сенцов, Агибалов, 2021] отличаются достаточно высокими величинами современной деформации и связаны с региональными активными разломами [База данных…, 2021].

4. Предложен методический прием вычисления величины деформации по данным ГНСС, реализуемый только с помощью стандартных инструментов программы ArcGis. Его достоинство заключается в простоте использования, возможности построить схему величины деформации без вспомогательных вычислений и специализированного программного обеспечения.