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

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, 7–9], 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.