Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 1, стр. 86-90

Быстринское землетрясение в Южном Прибайкалье (21.09.2020 г., MW = 5.4): общая характеристика, основные параметры и деформационные признаки перехода очага в мета-нестабильное состояние

С. А. Борняков 12*, А. А. Добрынина 123, К. Ж. Семинский 12, В. А. Саньков 12, Н. А. Радзиминович 1, Д. В. Салко 1, А. Н. Шагун 1

1 Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук
Иркутск, Россия

2 Иркутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук
Иркутск, Россия

3 Геологический институт Сибирского отделения Российской академии наук
Улан-Удэ, Россия

* E-mail: bornyak@crust.irk.ru

Поступила в редакцию 22.01.2021
После доработки 01.02.2021
Принята к публикации 02.02.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты изучения Быстринского землетрясения 21 сентября 2020 г. в Южном Прибайкалье. Отражены его геодинамическая позиция, механизм и основные параметры очага. Приведены данные деформационного мониторинга, показывающие предшествующий землетрясению шестидневный аномальный рост деформаций горных пород. Показано, что сценарий развития деформационного процесса перед землетрясением аналогичен сценарию подготовки динамической подвижки разрыву при экспериментальном воспроизведении процесса прерывистого скольжения “stick-slip”. На основе подобия в реализации деформационных процессов в природе и в модели констатируется, что деформационная аномалия, проявившаяся непосредственно перед Быстринским землетрясением, представляет собой явление закономерное и может рассматриваться как его краткосрочный предвестник.

Ключевые слова: Южном Прибайкалье, Быстринское землетрясение, форшоки, афтершоки, механизм очага, деформационный мониторинг, мета-нестабильность, предвестник

Быстринское землетрясение с магнитудой Mw = 5.4 произошло 21 сентября 2020 г. в 18:04 по UTC. Эпицентр главного толчка Быстринского землетрясения (координаты 51°77′ с.ш., 103°43′ в.д. по данным Байкальского филиала Федерального исследовательскго центра “Единая геофизическая служба РАН” (БФ ФИЦ ЕГС РАН) приурочен к Торско-Быстринской междувпадинной перемычке, в пределах которой сочленяются Главный Саянский и Тункинский разломы (рис. 1). Землетрясение было вызвано левосторонней сдвиговой подвижкой по плоскости СЗ-простирания с падением на юг, что согласуется с кинематикой Главного Саянского разлома. Ось сжатия в очаге горизонтальна и ориентирована СВ–ЮЗ, ось растяжения наклонна (23°) и ориентирована СЗ–ЮВ.

Рис. 1.

Схема неотектонических структур южной части Байкальской рифтовой системы. 1 – активные разломы: а – сбросы, б – сдвиги, в – взбросы; 2 – векторы горизонтальных смещений земной поверхности по данным GPS измерений (по Deverchere et al., 2018); 3 – эпицентр Быстринского землетрясения 21.09.2020 г. (М  = 5.4); 4 – пункт деформационного мониторинга “Талая”; 5 – временные сейсмические станции. Цифрами в кружках обозначены главные активные разломы: 1 – Жомболокский, 2 – Южно-Окинский, 3 – Дархатский, 4 – Хубсугульский, 5 – Байкало-Мондинский, 6 – Тункинский, 7 – Главный Саянский, 8 – Обручевcкий, 9 – Приморский, 10 – Морской.

Энергия основного толчка оценивается в 2.28 × 1017 Н м (по S-волнам) и в 6.05 × 1016 Н м (по P-волнам), моментная магнитуда равна 5.4, размеры очага составляют 2.10 × 0.68 км, смещение в очаге – 8 см, величина сброшенного напряжения – 3.55 × 106 Па. Расчет приведенных очаговых параметров производился по стандартной методике по спектру землетрясения, адаптированной для Байкальской рифтовой системы с учетом региональных характеристик затухания сейсмических волн [2, 6].

Быстринское землетрясение предварялось 6 форшоками, сильнейшие из которых с энергетическим классом K = 5.1 произошли 9 и 18 сентября. За 3 нед. после землетрясения было зарегистрировано около 25 афтершоков, из которых 16 произошли в первые сутки после основного события.

Подготовка Быстринского землетрясения нашла отражение в данных деформационного мониторинга, проводимого на постоянной основе инструментальным комплексом (ИК) авторской разработки в пункте “Талая”, расположенном на территории одноименной сейсмостанции “Талая” БФ ФИЦ ЕГС РАН, удаленной от эпицентра землетрясения на 18 км (рис. 1). Основное назначение ИК измерять и точно привязывать во времени показания с датчиков разного типа, записывать их во флэш-память с последующей передачей в режиме on-line по системе сотовой связи на удаленный базовый сервер. ИК-комплекс включает в себя прибор сбора и передачи данных (ПСПД), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), аналоговые датчики, систему автономного питания, базовый сервер, а также серверную и клиентскую программы управления (рис. 2).

Рис. 2.

Блок-схема инструментального комплекса для мониторинга геофизических параметров.

В ПСПД использована шина RS485, позволяющая одновременно подключить до 32 АЦП. Количество используемых датчиков определяется количеством каналов АЦП. При одно- и двухканальном исполнении к ним может быть подключено 32 или 64 датчика соответственно.

Посредством ИК в пункте “Талая” проводится мониторинг деформаций горных пород пространственной сетью из десяти штанговых датчиков, расположенной в штольне (рис. 3). Штанговый датчик состоит из измерительного элемента, тензодатчика (1) и штанги из металлического квадратного профиля длиной 6 м (2), поддерживаемой подвижными упорами (3), исключающими ее прогиб (рис. 4). Вся эта конструкция закреплена на бетонных тумбах (4), имеющих жесткое сцепление со скальным основанием (5).

Рис. 3.

Пространственная сеть штанговых датчиков в штольне пункта “Талая”. 1 – зона разлома; 2 – контуры штольни; 3 – штанговые датчики, расположенные горизонтально (а), вертикально (б) и их номера; 4 – расстояния между датчиками; 5 – изолинии рельефа с указанием высоты относительно уровня моря.

Рис. 4.

Схема установки штангового датчика в штольне. Пояснения цифр 1–5 даны в тексте.

За 6 дней до землетрясения восемь датчиков из десяти зарегистрировали изменение скорости накопления деформаций горных пород. Наиболее отчетливо аномальные изменения в деформационном процессе проявились на датчиках 1, 4 и 8, ориентированных на очаговую область. Для примера на рис. 2 приведен временной ряд деформаций, зарегистрированных датчиком 8 за период с 5 сентября по 2 октября 2020 г. Из графика видно, что с 5 по 16 сентября деформация в целом уменьшалась, а с 16 сентября начала возрастать. При этом по мере приближения к моменту землетрясения деформационный процесс развивался с ускорением, что следует из графика посуточного приращения деформации (рис. 5, врезка А). После землетрясения деформации снова стали уменьшаться с постепенным их выходом на фоновые значения (рис. 5).

Рис. 5.

График деформаций, зарегистрированных штанговым датчиком 8 с 5 сентября по 2 октября 2020 г. в штольне сейсмостанции “Талая”. На врезках: А – график посуточного прироста деформаций с 16 по 22 сентября 2020 г.; Б – отражение во временном ряду данных тремор подобного смещения перед Быстринским землетрясением.

Быстринское землетрясение представляет собой уникальный пример реализации модели “stick-slip” [5] в ее современной синергетической интерпретации, предложенной китайскими учеными на основе комплекса лабораторных экспериментов [7, 8]. Ими показано, что в нагруженной системе из двух контактирующих по разрыву блоков деформационный процесс, предшествующий реализации импульсной подвижки, развивается в рамках двух стадий. Первая, метастабильная стадия, начинается в момент достижения максимального значения нагрузки в точке А графика “нагрузка–время” (рис. 6). Ее переход во вторую, мета-нестабильную стадию начинается с началом снижения регистрируемой нагрузки за счет зарождения первичных изолированных микродефектов в плоскости межблокового контакта. Эта стадия по динамике развития деформационного процесса подразделяется на подстадии ранней и поздней мета-нестабильности (рис. 6). В первую подстадию происходит медленный спад напряжений за счет постепенного увеличения количества изолированных микродефектов. Во вторую подстадию, именуемую также “подстадией ускоренного синергизма”, деформационный процесс существенно ускоряется с последующим его переходом в динамическую подвижку. Синергизм проявляется в тот момент, когда квазистатическое состояние трансформируется в квазидинамическое благодаря кооперативному взаимодействию активных микродефектов через их быстрый рост и слияние между собой [7, 8].

Рис. 6.

Изменение во времени приложенной к модели нагрузки при моделировании процесса прерывистого скольжения “stick-slip”. Буквами А, Б, В1, В2 отмечены временные интервалы реализации метастабильной стадии (А–Б) и мета-нестабильной стадии (Б–В2) с разделением последней на подстадии ранней (Б–В1) и поздней (В1–В2) нестабильности.

Динамика развития деформационного процесса, зарегистрированного в пункте мониторинга “Талая” за 6 дней до землетрясения полностью укладывается в описанные выше представления о ранней и поздней мета-нестабильности в заключительную мета-нестабильную стадию эволюции его очага. Деформационный процесс в первую подстадию развивался (с 16 по 20 сентября) с медленным ускорением и существенно ускорился во вторую подстадию (20 сентября) с кратковременным замедлением непосредственно перед главным толчком, произошедшим 21 сентября (рис. 5).

Дополнительным аргументом в пользу вышеописанного могут служить характерные вариации информационной энтропии [1, 3], рассчитанной по временному ряду деформаций с окном 1 сут со смещением на 1 сут (рис. 7). Согласно приведенному графику, резкое снижение энтропии началось с 13 сентября, т.е. за два-три дня до начала роста деформаций (рис. 5). Это указывает на то, что в эти два-три дня происходили изменение динамического состояния разломно-блоковой среды в очаговой области и переход деформационного процесса из метастабильной стадии в мета-нестабильную.

Рис. 7.

Вариации информационной энтропии до и после Быстринского землетрясения. 1 – отсутствие данных; 2 – тренд изменения информационной энтропии.

Таким образом, в представленных результатах деформационного мониторинга отчетливо проявились признаки заключительной мета-нестабильной стадии подготовки Быстринского землетрясения, что позволяет особенности динамики развития предваряющих его аномальных деформаций рассматривать как возможный краткосрочный предвестник.

Список литературы

  1. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. М.: Мир, 1966. 271 с.

  2. Добрынина А.А. Очаговые параметры землетрясений Байкальской рифтовой системы // Физика Земли. 2009. № 12. С. 60–75.

  3. Зубарев Д.Н., Морозов В.Г., Рёпке Г. Статистическая механика неравновесных процессов. М.: Физматлит, 2002. 431 с.

  4. Салко Д.В., Борняков С.А. Автоматизированная система для мониторинга геофизических параметров на геодинамических полигонах // Приборы. 2014. № 6. С. 24–28.

  5. Brace W.F., Byerlee J.D. Stick-slip as a Mechanism for Earthquake // Science. 1966. V. 153. P. 990–992.

  6. Dobrynina A.A., Sankov V.A., Chechelnitsky V.V., Déverchère J. Spatial Changes of Seismic Attenuation and Multiscale Geological Heterogeneity in the Baikal Rift and Surroundings from Analysis of Coda Waves // Tectonophysics. 2016. V. 675. P. 50–68.

  7. Ma J., Sherman S.I., Guo Y.S. Identification of Meta-instable Stress State Based on Experimental Study of Evolution of the Temperature Field during Stick-slip Instability on a 5° Bending Fault. // Sci China Earth Sci. 2012. V. 55. P. 869–881.

  8. Ma J., Guo Y., Sherman S.I. Accelerated Synergism along a Fault: A Possible Indicator for an Impending Major Earthquake // Geodynamics & Tectonophysics. 2014. No 2. P. 87–99.

Дополнительные материалы отсутствуют.