Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 491, № 2, стр. 103-107

Курило-Камчатская зона субдукции протяженностью около 2200 км является одним из наиболее сейсмоактивных регионов северо-восточной Евразии, где скорость поддвига Тихоокеанской плиты под Североамериканскую достигает 8 см/год. Сильнейшие межплитовые землетрясения возникают на ограниченном сцепленном участке контакта литосферных плит до глубины ~60 км. С 1900 г. в Курило-Камчатской зоне субдукции произошло 13 землетрясений с моментной магнитудой М_w ≥ 8.0, десять из которых относятся к межплитовым событиям [1].

Тектонические деформации в результате взаимодействия плит отражают различные фазы сейсмического цикла [2], изучение закономерностей которого является одним из ключевых направлений в понимании механизмов подготовки землетрясений. Поиск мест возможных землетрясений связан с оценкой сейсмического потенциала различных участков зоны субдукции, зависящего от величины сцепления взаимодействующих плит, а также с выявлением “брешей” (областей сейсмического затишья) – сегментов, накопивших значительные напряжения, но имеющие дефицит сейсмического смещения относительно поддвига литосферных плит. Обычно поиск таких мест основан на оценке площади очагов исторических землетрясений, которые выделяют по областям афтершоков. Современные исследования распределений косейсмических подвижек показывают, что такие оценки часто приводят к завышению площади очаговой зоны. Существенный прогресс в данном направлении связан с организацией в последние два десятилетия спутниковых GNSS-измерений, которые показали хорошую корреляцию между участками зоны субдукции с высоким коэффициентом сцепления и районами последующих сильных землетрясений [1]. Однако, детальные исследования возможны только при достаточно плотных GNSS-сетях и длительных периодах наблюдений, позволяющих судить о постоянстве пространственно-временной межплитовой связи.

Отношение сейсмической скорости поддвига V_seis к скорости субдукции V_subd литосферных плит определяет коэффициент сцепления χ = V_seis/V_subd [3], который является мерой сейсмической активности и показывает, какая часть накопленного напряжения высвобождается во время межплитовых событий. Значение χ = 1 соответствует полному сцеплению и свидетельствует, что в зоне субдукции реализовалось все накопленное напряжение, χ = 0 может означать, что смещение происходит асейсмически, либо накопленные напряжения не высвободились в данный временной интервал.

Скорость сейсмического поддвига определяется отношением ${{V}_{{{\text{seis}}}}}$ = $\sum {M_{0}^{i}} {\text{/}}\mu ST$ [4], где М₀ – скалярный сейсмический момент i-го межплитового землетрясения (Нм), µ – средний модуль сдвига среды (в исследовании принят 5 × 10¹⁰ Н/м²), S – площадь контакта плит (км²), T – период времени осреднения в годах.

Для оценки площади контакта плит Курило-Камчатская зона субдукции разделена на 3 сегмента: Южно-Курильский (ЮК), протяженностью 780 км, Центрально-Курильский 520 км (ЦК) и Камчатский (К), протяженностью 900 км (рис. 1). Глубина контакта и угол субдукции каждого участка оценены по землетрясениям с М_w ≥ ≥ 6.0 из каталога тензоров сейсмического момента CMT [5] за период 1976–2018 гг. согласно общепринятым представлениям [1, 6]. Глубина контакта определена по 95%-ному (2σ) доверительному интервалу двойного нормального распределения землетрясений по глубине (рис. 2).

Рис. 1.

Механизмы очагов межплитовых землетрясений с М_w ≥ 6.0 Курило-Камчатской зоны субдукции за период 1976–2018 гг. по данным каталога CMT [5]. ЮК – Южно-Курильский, ЦК – Центрально-Курильский, К – Камчатский сегменты зоны субдукции. Темными стрелками показаны межсейсмические скорости GNSS-пунктов региона за период 2006–2018 гг., светлыми – направления и скорость схождения литосферных плит. Скорости пунктов полуострова Камчатка приведены по данным [7]. Сплошной линией и пунктиром показано модельное геодезическое решение геометрии сцепления литосферных плит в виде наклонной ширины контакта. На врезке представлена параметрическая модель зоны субдукции: σ – угол субдукции, V – скорость субдукции, W – ширина механического контакта, d – глубина желоба, H – глубина контакта относительно желоба, ${v}$ – межсейсмическая скорость GNSS-станции.

Рис. 2.

Нормированное по глубине число межплитовых землетрясений с М_w ≥ 6.0 для сегментов Курило-Камчатской зоны субдукции за период 1976–2018 гг. ЮК – Южно-Курильский, ЦК – Центрально-Курильский, К – Камчатский сегменты зоны субдукции. Сплошной линией показано двойное нормальное распределение землетрясений, рассчитанное методом наименьших квадратов. Пунктирная линия ограничивает 95%-ный (2σ) доверительный интервал двойного нормального распределения глубины контакта плит относительно геоида.

Кумулятивный скалярный сейсмический момент $\sum {M_{0}^{i}} $ межплитовых землетрясений с М_w ≥ ≥ 7.0 вычислен за период 1900–2018 гг. С 1900 по 1975 гг. использовался каталог землетрясений [8], М₀ которых определен по формуле M_w = = 2/3(lgM₀–16.1). Для периода 1976–2018 гг. использовался сейсмический момент из каталога CMT.

Параметры Курило-Камчатской зоны субдукции приведены в таблице 1. Сейсмическая площадь контакта плит S_seis хорошо согласуется с геодезическим решением S_GNSS, выполненным на основе инверсии межсейсмических GNSS-скоростей пунктов региона за период 2006–2018 гг. по методике [9] (рис. 1). Существенное различие отмечается только для сегмента ЦК, в отношении которого геодезическое решение является результатом интерполяции ввиду отсутствия данных о межсейсмических скоростях в этом районе.

Камчатский сегмент характеризуется высоким уровнем сейсмической активности, за период 1900–2018 гг. скорость сейсмического поддвига составляет 82 мм/год (табл. 1). Максимальный вклад в это значение вносит землетрясение 1952 г. с М_w = 9.0, расчетный сейсмический момент которого М₀ = 380 × 10²⁰ Нм. Мы скорректировали это значение, приняв М₀ = 230 × 10²⁰ Нм по данным работы [10]; при этом скорость сейсмического поддвига составила 56 мм/год, коэффициент сцепления 0.71. Скорость сейсмического поддвига в сегменте ЮК достигает 46 мм/год, что соответствует коэффициенту сцепления 0.55, и свидетельствует о том, что за анализируемый интервал времени реализовалось более половины от максимально возможного накопленного напряжения. В сегменте ЦК наблюдается низкий уровень сейсмической активности. Предполагалось, что в этом районе не могут генерироваться землетрясения M_w > 8.0 [11]. Однако, в 2006 г. здесь произошло Симуширское землетрясение M_w = 8.3.

Можно полагать, что скорость крипового (асейсмического) поддвига в зоне субдукции по последовательности сильнейших землетрясений региона не превышает ~10% от общей сейсмической скорости [12]. В таком случае дефицит сейсмического момента для всего сегмента ЮК может составлять 183.7 × 10²⁰ Нм, что соответствует землетрясению М_w ~ 8.8; для ЦК – 136.8 × 10²⁰ Нм (М_w ~ 8.7); для сегмента К – 88.7 × 10²⁰ Нм (М_w ~ 8.6).

Для выявления областей современного сейсмического дефицита в зоне субдукции использована оценка кумулятивного сейсмического смещения межплитовых землетрясений. Расчет смещений выполнен на основе инверсии сейсмологических решений для подвижек в очагах таких землетрясений [13, 14]. Для индивидуального события смешение D_х по падению можно представить в виде нормального распределения: ${{D}_{x}}$ = ${{D}_{{\max }}}{{e}^{{\frac{{{{x}^{2}}}}{{{{{0.145}}^{2}}{{L}^{2}}}}}}}$, где х – расстояние от эпицентра землетрясения, D_max – максимальное смещение, L – длина очага по простиранию. Коэффициент 0.145 определен эмпирически для всех 64 межплитовых событий региона с M_w ≥ 7.0.

Кумулятивное сейсмическое смещение в Курило-Камчатской зоне субдукции в результате межплитовых землетрясений с M_w ≥ 7.0 за период 1900–2018 гг. показано на рис. 3. В северной части о. Итуруп и центральной части п-ва Камчатка расчетное смещение составляет ~18 м, что превышает величину поддвига Тихоокеанской плиты за 118 лет в 2 раза. Такие величины могут отвечать за более продолжительный период, чем принят в исследовании. В сегменте ЮК дефицит сейсмического смещения протяженностью ~300 км наблюдается от центральной части о. Хоккайдо до северной части о. Кунашир. Относительно скорости субдукции литосферных плит его величина составляет от 3 до 8.8 м. В сегменте ЦК дефицит 3–8.6 м присутствует в области от о. Уруп до эпицентральной зоны Симуширского землетрясения 2006 г. В южной части Камчатского сегмента обширная область дефицита сейсмического смещения простирается на ~450 км. С 1900 г. в этом районе не зарегистрировано землетрясений с М_w > 7.5.

Рис. 3.

Кумулятивное сейсмическое смещение межплитовых землетрясений с M_w ≥ 7.0 за период 1900–2018 гг. в Курило-Камчатской зоне субдукции. Масштаб сейсмического смещения показан во врезке. Контуры очагов землетрясений с М_w ≥ 7.5 приведены по данным [15].

В заключение отметим, что хотя в предложенном подходе распределение сейсмических смещений по простиранию очага землетрясения является идеализированным (оно симметрично относительно эпицентра), тем не менее, выполненный анализ кумулятивного смещения в зоне субдукции позволяет достаточно уверенно выделить области современного сейсмического дефицита. В совокупности с другими методами такой подход способствует более точной оценке сейсмической опасности региона.