Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 184-188

Первые наблюдения остаточного смещения, вызванного удаленным землетрясением, описаны в середине прошлого века. В работах [1–3] измерения велись на наклономерах. Пресс [4] наблюдал на Гавайях остаточную деформацию, вызванную землетрясением на Аляске. Так как помимо наклономеров использовался деформограф, то кроме остаточного наклона была зафиксирована также остаточная деформация. Для интерпретации наблюдений были использованы формулы для статической функции Грина полупространства, полученные в работах [5, 6] на основе дислокационной модели очага землетрясения [7].

Наиболее полное и всестороннее изучение процессов формирования остаточных смещений на основе дислокационной теории очага [7] выполнено Грайзером. В статье [8] было продемонстрировано, что форма возмущения в Р-волне представляет собой суперпозицию квазипериодического сигнала и ступенчатого смещения U_P0. Аналогично, в S-волне также имеется постоянная составляющая U_S0. Кроме того, перед вступлением поперечной волны отмечается одностороннее длиннопериодное движение U_L (согласно введенному Г.А. Гамбурцевым в работе [9] понятию “лапласово смещение”).

С удалением от очага величина постоянного смещения затухает обратно пропорционально квадрату расстояния [8]. Кроме того, эффект может быть замаскирован длиннопериодными возмущениями, например, фазой W [10]. Поэтому для экспериментального наблюдения остаточного смещения на телесейсмических расстояниях необходимо одновременное выполнение ряда условий. Во-первых, запись должна вестись устройством с достаточно хорошей разрешающей способностью. Во-вторых, регистрировать следует именно компоненты смещения, а не их производные по времени. В-третьих, землетрясение должно быть достаточно сильным, при этом ориентация нодальных плоскостей по простиранию на земной поверхности должна значимо отличаться от направления из эпицентра на пункт регистрации. В совокупности одновременное соблюдение приведенных условий существенно повышает возможность экспериментального наблюдения остаточного смещения на телесейсмических расстояниях. Ниже рассмотрено проявление одного из таких редких событий: наблюдения в Москве остаточного смещения, вызванного землетрясением магнитудой Mw = 7, произошедшего 12 ноября 2017 г. вблизи ирано-иракской границы.

На рис. 1 показаны записи иракского землетрясения, произошедшего 12 ноября 2017 г. вблизи города Халабия, Ирак. Согласно каталогу Геологической службы США¹¹ (USGS) магнитуда землетрясения составила 7.3, координаты эпицентра – 34.911° с.ш., 45.959° в.д., глубина – 19 км. Эпицентральное расстояние от пункта наблюдения в г. Москве равно приблизительно 21.6 град (≈2400 км). Тип смещения в очаге – чистый взброс.

Рис. 1.

Запись иракского землетрясения, 12 ноября 2017 г., на наклономерах НШ-11 (вверху) и НШ-12 (внизу). Время отсчитывается от вступления P-волны. N и E – компоненты наклона север–юг и восток–запад; P, S и R – вступления объемных телесейсмических волн и поверхностная волна Рэлея.

Регистрация велась двумя высокочувствительными наклономерами серии НШ (наклономер штольневый). Приборы установлены на заглубленных постаментах в специально оборудованном подвальном помещении Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН [11]. Наклономеры этой серии разработаны в Особом конструкторском бюро ИФЗ АН СССР и к моменту их создания (середина 1990-х годов) обладали уникальными характеристиками. Текущий установленный диапазон измеряемых наклонов составляет ±1 × 10^–4 рад с погрешностью 5 × 10^–10 рад (один из двух диапазонов, в которых работает прибор с различной точностью). Диапазон измеряемых частот составляет от 0 до 0.005 Гц, дрейф нуля – 2.4 × 10^–6 рад. В конце 2016 г. для этих наклономеров была реализована современная система регистрации [11], которая, помимо прочего, включает ведение архива измерений в формате miniSEED и обеспечения доступа к файлам по протоколу HTTP²².

Оба наклономера отчетливо зафиксировали основные телесейсмические фазы: продольную P, поперечную S и рэлеевскую R. Кроме того, на записях обоих приборов присутствует постоянная составляющая. Однако, несмотря на сходство, записи НШ-11 и НШ-12 содержат ряд существенных отличий. Во-первых, между вступлениями волн P и S на обеих компонентах НШ-11 присутствует сильное периодическое возмущение. На записях НШ-12 такого сигнала нет. Во-вторых, по графикам видно, что величина N-компоненты постоянного наклона НШ-11 положительна, а НШ-12 – отрицательна. Наконец, модуль постоянного смещения, рассчитанного по записям наклономера НШ-11, многократно превышает соответствующую величину, зафиксированную прибором НШ-12.

Последующие оценки показали, что ни большие значения постоянного наклона, ни указанные выше периодические возмущения, зафиксированные НШ-11, не согласуются с модельными расчетами. Наиболее вероятная причина этих эффектов – электромагнитная помеха в цепи регистрации этого устройства. Поэтому в дальнейшем обсуждении мы будем опираться только на данные прибора НШ-12.

В табл. 1 представлены величины остаточных смещений и углов наклона, рассчитанных по конечной модели очага для каждой из нодальных плоскостей, согласно фокальному механизму рассматриваемого землетрясения из каталога USGS.

Расчет был выполнен для модели PREM [12] методом, описанным в работе [13]. Отметим, что проекция наклона на ось E положительна, а на ось N — отрицательна, что согласуется с записями наклономера НШ-12 (рис. 1). Абсолютные величины проекций согласуются по порядку величины с теоретическими значениями.

Азимут плоскости остаточного наклона λ, определенный по модельным смещениям, составил приблизительно λ ≈ 310° (см. табл. 1), что также согласуется с измеренным значением этого угла (он оказался равным приблизительно 320°). На рис. 2 показаны компоненты смещения, рассчитанные по механизму очага рассматриваемого события (согласно данным USGS) и развернутые на угол λ. Вычисления проводились с помощью библиотеки Instaseis, с использованием модели PREM 20³³ [14]. Исходные сейсмограммы были пересчитаны в систему координат (R, T) поворотом на угол λ. Ось R образована проекцией смещения на горизонтальное сечение плоскости наклона, ось T перпендикулярна к R и вертикали. На этом же рисунке приведены зарегистрированные компоненты наклона после разворота на тот же угол λ. Остаточное смещение на R-компоненте в этом случае достигает максимальной величины (полного наклона), на T-компоненте остаточное смещение не отмечается.

Рис. 2.

SYN – синтетические сейсмограммы, компоненты смещения на горизонтальные оси, в системе координат, развернутой вокруг вертикальной оси на угол λ. Для удобства сравнения с записями наклона знак компонент изменен на противоположный. Для иллюстрации присутствия остаточного смещения на вставке изображена та же R-компонента, но в увеличенном масштабе. НШ-12 – запись наклономера НШ-12 после низкочастотной фильтрации (20 с) и разворота на тот же угол. В такой системе координат постоянное смещение присутствует только на компоненте R.

Возможность регистрации статического смещения на значительном по величине эпицентральном расстоянии, превышающем 2000 км, стало результатом благоприятного сочетания ряда факторов: во-первых, высокая магнитуда сейсмического события и мелкофокусный очаг; во-вторых, фокальный механизм, соответствующий чистому взбросу, наиболее эффективно проявляющийся в виде наклонных деформаций сплошной среды; в-третьих, амплитудно-частотные характеристики прибора, позволяющие фиксировать крайне малые относительные смещения подстилающих слоев земной поверхности.

В отношении чувствительности наклономерных измерений следует заметить, что погрешность измерений для использованных приборов составила, примерно, 0.1 максимальной амплитуды колебательного процесса и сопоставима по порядку величины с остаточным смещением. В то же время точность смещений земной поверхности, регистрируемая спутниковыми геодезическими методами, ограничена величиной порядка 1 мм, так что величина ожидаемого сигнала для рассмотренного события составила бы, примерно, 0.001 от погрешности таких наблюдений. Кроме того, заметное преимущество наклономерных измерений по сравнению с сейсмометрией состоит в частотной характеристике наклономеров, которая практически не ограничена в низкочастотной области, что позволяет уверенно регистрировать остаточные смещения. При этом схожие по частотной характеристике деформографы представляют собой весьма громоздкие установки, требующие значительных усилий по обслуживанию и эксплуатации.

Указанные сопоставления говорят о перспективности развития сети наклономерных наблюдений, возможно, с меньшей чувствительностью, вблизи сейсмоопасных регионов, в пределах от нескольких сотен до тысячи километров от возможных очаговых зон.