Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 1, стр. 81-85

Дефицит сильных афтершоков как индикатор постсейсмического проскальзывания в очагах землетрясений зон субдукции

Член-корреспондент РАН П. Н. Шебалин 1, И. А. Воробьева 1*, С. В. Баранов 12, член-корреспондент РАН В. О. Михайлов 34

1 Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук
Москва, Россия

2 Кольский филиал Федерального Исследовательского Центра “Единая геофизическая служба Российской академии наук”
Апатиты, Россия

3 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук
Москва, Россия

4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия

* E-mail: vorobiev@mitp.ru

Поступила в редакцию 04.12.2020
После доработки 21.01.2021
Принята к публикации 22.01.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Демонстрируется относительное снижение доли сильных афтершоков в первые дни после землетрясений в зонах субдукции и показана связь этого явления с асейсмичным сбросом напряжений.

Ключевые слова: зоны субдукции, сильные землетрясения, постсейсмические деформации, афтерслип, афтершоки

Известно, что землетрясения сопровождаются постсейсмическими процессами, которые начинаются сразу после основного толчка и проявляются в афтершоках и асейсмических деформациях [1, 2]. Если косейсмическая подвижка происходит практически мгновенно, то постсейсмические движения, обусловленные релаксационными процессами, могут продолжаться годы и охватывать территории в тысячи километров после сильнейших землетрясений. Связанные с этими процессами смещения наблюдаются на земной поверхности и могут быть измерены методами наземной и спутниковой геодезии. Главными движущими механизмами постсейсмической деформации являются вязкоупругая релаксация напряжений в коре и верхней мантии Земли и пост-сейсмическое проскальзывание (афтерслип), отражающее фрикционные свойства контакта тектонических плит в очаговой зоне сильного землетрясения. Афтерслип может проявляться в виде афтершоков и/или медленного асейсмического проскальзывания (крипа) [3, 4].

Постсейсмические движения тесно связаны с афтершоковыми процессами [1], в частности, скорость деформаций затухает гиперболически как 1/t и может быть, как и частота афтершоков, аппроксимирована законом Омори [5]. При этом рядом исследователей было показано, что афтершоки ответственны за очень малую часть пост-сейсмических деформаций, не более нескольких процентов [6].

В настоящее время роль афтерслипа и вязкоупругой релаксации в постсейсмических деформациях является предметом интенсивного изучения, однако, несмотря на ряд выполненных исследований [1, 2, 79], окончательной теории здесь пока не выработано. Особый интерес представляет период непосредственно после основного толчка, так как данные GPS часто фиксируются один раз в сутки, что недостаточно для надежной регистрации движений земной поверхности и разделения косейсмического и постсейсмического смещения [10].

В настоящей работе мы используем анализ магнитудно-частотных распределений афтершоков во времени. В ряде работ [11, 12] была доказана связь формы графиков повторяемости с типом деформаций и сейсмическим сцеплением, в частности, показано, что значительное асейсмическое проскальзывание (крип) вызывает дефицит сильных событий и приводит к загибу графика повторяемости. На примере трех сильных землетрясений в зонах субдукции мы покажем, что имеется дефицит сильных афтершоков в области погружающейся плиты (в слабе) в начальной постсейсмической стадии, что свидетельствует о значительном афтерслипе. В этом контексте афтерслип подобен крипу, представляющему собой асейсмическое движение вдоль разлома, с той лишь разницей, что постсейсмическoe скольжение возникает в результате землетрясения.

Мы анализируем афтершоки Кроноцкого землетрясения на Камчатке, 1997 г., Mw7.8; Симуширского землетрясения на Курильских островах, 2006 г., Mw8.3 и землетрясения Тохоку в Японии, 2011 г., Mw9.0. Афтершоки в слабе из каталога ANSS с M ≥ 4.7 показаны на рис. 1а–с. События, произошедшие на Тихоокеанской плите восточнее глубоководных желобов (включая второе Симуширское землетрясение 11.01.2007 Mw8.1), а также поверхностные события материковой Японии удалены. Длительность афтершоковой последовательности определяется по выходу сейсмичности на фоновый уровень. В районе Тохоку до сих пор наблюдается повышенный уровень сейсмической активности, поэтому для него исследуем интервал времени в 3000 дней; после Симуширского землетрясения – в 1000 дней. После Кроноцкого землетрясения активность падает до уровня фона в течение месяца, и мы исследуем 30 дней.

Рис. 1.

Афтершоки трех сильных землетрясений (ANSS, M ≥ 4.7). А) Кроноцкое, Камчатка 1997, Mw7.8; В) Симуширское, Курильские острова 2006, Mw8.3; С) Тохоку, Япония 2011, Mw9.0. Карты афтершоков в слабе, временная последовательность магнитуды афтершоков и графики повторяемости ранних (черная линия, точки) и поздних (серая линия, +) афтершоков. Граница ранних афтершоков для каждого землетрясения отмечена штриховой линией.

Рост магнитуды афтершоков и числа сильных событий во времени наблюдается для всех трех землетрясений (рис. 1 а–с). Графики повторяемости ранних афтершоков также показывают недостаток сильных событий по сравнению с поздними афтершоками, что проявляется в большем наклоне, наблюдаемом для сильных ранних афтершоков (рис. 1 а–с). Таким образом, распределение ранних афтершоков по магнитуде имеет черты, характерные для зон со значительным асейсмическим проскальзыванием. Недостаток сильных событий проявляется в различные временные отрезки, примерно 10 дней после землетрясений Тохоку и Симуширского, и 0.3 дня после Кроноцкого. Загиб графика повторяемости также происходит на различной магнитуде: около M6 после Тохоку, M5.5 после Симуширского и M5 после Кроноцкого. Различие может объясняться особенностями строения зоны субдукции в очаговых зонах исследуемых землетрясений.

Значительные асейсмические смещения были зафиксированы для всех трех исследуемых землетрясений [6, 9, 13, 14], однако вклад афтерслипа и вязкоупругой релаксации все еще остается предметом дискуссии. В случае Симуширского землетрясения модель вязкоупругой релаксации с аномально низкой вязкостью астеносферы 2 × 1017 Па с объясняет наблюдаемые смещения, но в отличие от модели афтерслипа не согласуется с постсейсмическими изменениями гравитационного поля по моделям спутников GRACE [13]. Анализ пост-сейсмических деформаций землетрясения Тохоку показывает, что в начальной стадии процесса основной вклад дает афтерслип, а вязкоупругая релаксация играет второстепенную роль [9, 14].

Лей и Канамори и соавт. [15] предложили модель гетерогенного межплитового сцепления на запертых участках зон субдукции (рис. 2). Были выделены обширные области сильного сцепления, так называемые асперити, в которых происходят большие косейсмические подвижки; зоны стабильного асейсмического слипа (зоны низкого сцепления); а также зоны условно-стабильного проскальзывания (небольшие изолированные асперити), которые проявляют сейсмическую активность преимущественно после значительных сейсмических смещений в прилежащих зонах сильного сцепления (афтершоки). В межсейсмический период в таких областях могут наблюдаться повторяющиеся землетрясения (repeating earthquakes). Эффективность модели гетерогенного сцепления в зонах субдукции [15] была показана при изучении постсейсмических деформаций сильнейших землетрясений Тохоку, Япония, Mw9.0 [14, 16], и Мауле, Чили, Mw8.8 [4].

Рис 2.

Гетерогенное межплитовое сцепление в зоне субдукции и модель очага сильного землетрясения.

При сильном землетрясении происходит разрушение большой зоны сцепления, однако область постсейсмических деформаций значительно превышает размеры области больших косейсмических подвижек, захватывая обширные зоны слабого сцепления, где происходит постсейсмическое проскальзывание (рис 2) и сосредоточено большинство афтершоков [6, 14]. В начальной стадии постсейсмического процесса под воздействием высоких скоростей афтерслипа происходит загиб графика повторяемости афтершоков, отражающий дефицит сильных событий. В основе этого явления лежит эффект конечного размера – максимальная магнитуда афтершоков ограничена характерным размером небольших изолированных асперити в областях слабого сцепления зоны субдукции. Со временем скорость афтер-слипа падает, и распределение землетрясений по магнитуде принимает нормальную форму. Это явление подобно корреляции загиба графика повторяемости со скоростью крипа [11, 12].

Наш анализ показывает, что афтерслип играет определяющую роль в начальный период пост-сейсмического процесса, что согласуется с результатами других исследований [6, 9, 13, 14]. Характерная форма графика повторяемости ранних афтершоков свидетельствует о значительном асейсмическом проскальзывании, что может дополнительно увеличить вклад афтерслипа в наблюдаемые ранние постсейсмические движения. Медленные объемные деформации земной коры под воздействием вязкоупругой релаксации, по-видимому, начинают преобладать на более поздних стадиях постсейсмического процесса [9, 14].

Учет дефицита сильных событий непосредственно после основного толчка может быть полезен при моделировании афтершоковых последовательностей: игнорирование этого факта может привести к неверной оценке вероятности повторных сильных землетрясений.

Характерные изменения графика повторяемости ранних афтершоков могут проявляться в разной степени и на различных временных интервалах, а после некоторых событий могут не проявляться вовсе; это определяется уникальным строением зоны субдукции в очаге конкретного сильного землетрясения. Однако мы предполагаем, что эффект должен, в той или иной степени, проявляться после сильнейших землетрясений, очаги которых простираются на сотни километров и захватывают всю ширину сейсмогенной области от океанического желоба до зоны пластических деформаций в глубине.

Список литературы

  1. Marone C.J., Scholtz C.H., Bilham R. On the Mechanics of Earthquake Afterslip // J. Geophys. Res. 1991. V. 96. Is. B5. P. 8441–52. https://doi.org/10.1029/91JB00275

  2. DeMets C. Afterslip No Longer an Afterthought // Nature. 1997. № 386. Is. 6625. P. 549. https://doi.org/10.1038/386549a0

  3. Ozawa S., Nishimura T., Munekane H., Suito H., Kobayashi T., Tobita M., Imakiire. Preceding, Coseismic, and Postseismic Slips of the 2011 Tohoku Earthquake, Japan // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. B07404. https://doi.org/10.1029/2011JB009120

  4. Lin Y.-N. N., et al. Coseismic and Postseismic Slip Associated with the 2010 Maule Earthquake, Chile: Characterizing the Arauco Peninsula Barrier Effect // J. Geophys. Res. 2013. V.118. P. 3142–3159. https://doi.org/10.1002/jgrb.50207

  5. Wennerberg L., Sharp R.V. Bulk-Friction Modeling of Afterslip and the Modified Omori Law // Tectonophysics. 1997. V. 277. P. 109–136. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(97)00081-4

  6. Bürgmann R., Kogan M.G., Levin V.E., Scholz C.H., King R.W., Steblov G.M. Rapid Aseismic Moment Release Following the 5 December 1997 Kronotsky Kamchatka Earthquake // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 1331–1334. https://doi.org/10.1029/2000GL012350

  7. Barbot S., Fialko Yu. A Unified Continuum Representation of Post-seismic Relaxation Mechanisms: Semi-analytic Models of Afterslip, Poroelastic Rebound and Viscoelastic Flow // Geophys. J. Int. 2010. V. 182. № 3. P. 1124–1140. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2010.04678.x

  8. Sun T., Wang K. Viscoelastic Relaxation Following Subduction Earthquakes and its Effects on Afterslip Determination // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2015. V. 120. P. 1329–1344. https://doi.org/10.1002/2014JB011707

  9. Muto J., Moore J.D.P., Barbot S., Iinuma T., Ohta Y., Iwamori H. Coupled Afterslip and Transient Mantle Flow after the 2011 Tohoku Earthquake // Sci. Adv. 2019. V. 5. № 9: eaaw1164. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw1164

  10. Twardzik, C., Vergnolle, M., Sladen, A. et al. Unravelling the Contribution of Early Postseismic Deformation Using Sub-daily GNSS Positioning // Sci Rep. 2019. V. 9. P. 1775. https://doi.org/10.1038/s41598-019-39038-z

  11. Vorobieva I., Shebalin P., Narteau C. Break of Slope in Earthquake Size Distribution and Creep Rate Along the San Andreas Fault System // Geophys. Res. Let. 2016. V 43. № 3. P. 6869–6875. https://doi.org/10.1002/2016GL069636

  12. Vorobieva I.A., Soloviev A.A., Shebalin P.N. Mapping of Interplate Coupling in the Kamchatka Subduction Zone from Variations in the Earthquake Size Distribution // Doklady Earth Sciences. 2019. V. 484. № 2. P. 173–176. https://doi.org/10.1134/S1028334X19020077

  13. Михайлов В.О., Диаман М., Тимошкина Е.П., Хайретдинов С.А. Оценка относительной роли постсейсмического крипа и вязкоупругой релаксации после Симуширского землетрясения 15.11.2006 г. с использованием данных спутниковой геодезии и гравиметрии // ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2018. № 5. С. 84–89.

  14. Diao F., et al. Overlapping Post-seismic Deformation Processes: Afterslip and Viscoelastic Relaxation Following the 2011Mw 9.0 Tohoku (Japan) Earthquake // Geophys. J. Int. 2014. V. 196. P. 218–229. https://doi.org/10.1093/gji/ggt376

  15. Lay T., Kanamori H., Ammon C.J., Koper K.D., Hutko A.R., Ye L., Yue H., Rushing T.M. Depth-varying Rupture Properties of Subduction Zone Megathrust Faults // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. P. B04311 1–21. https://doi.org/10.1029/2011JB009133

  16. Silverii F., Cheloni D., D’Agostino N., Selvaggi G., Boschi E. Post-seismic Slip of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake from GPS Observations: Implications for Depth-dependent Properties of Subduction Megathrusts // Geophys. J. Int. 2014. V. 198. P. 580–596. https://doi.org/10.1093/gji/ggu149

Дополнительные материалы отсутствуют.