Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 505, № 1, стр. 95-102

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня в связи с интенсивным развитием и распространением средств глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) имеется и реализуется возможность мониторинга различных геодинамических процессов. Увеличивается число группировок спутников ГНСС, создаваемых и поддерживаемых разными государствами. Растет количество наземных станций непрерывных ГНСС-наблюдений, полноценно функционирующих на интервалах от первых лет до десятилетий. Осуществляется прямая регистрация пространственно-временных изменений положения наблюдательных станций, которые, в свою очередь, представляют основу для вычисления деформаций верхов земной коры.

Указанные обстоятельства обеспечивают возможность экспериментального выявления и изучения таких геодинамических явлений, как медленные деформационные волны. Настоящая работа посвящена представлению и анализу результатов ГНСС-наблюдений за медленными деформационными волнами и их связи с ходом сейсмической активности.

ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ И НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ

Гипотеза распространения медленных волновых деформационных процессов в земной коре имеет более чем полувековую историю. Попытку их первых теоретических описаний Ю.О. Кузьмин [6] связывает с моделью (механизмом) Эльзассера [11]. Началом формирования соответствующей волновой концепции считают работу Рихтера [16], в которой было обращено внимание на миграцию эпицентров землетрясений вдоль Северо-Анатолийского разлома на протяжении около двух десятилетий. При этом следует отметить, что первое упоминание упорядоченного в пространстве и времени распределения эпицентров землетрясений было дано в работе [3]. Явление миграции землетрясений в научных кругах обсуждалось неоднократно [2, 6, 7, 14].

Попытки инструментальных доказательств феномена медленных волн деформации земной коры представлены в ряде работ на основе мониторинга, не редко, различных по своей природе процессов. Наблюдаемая миграция сейсмичности и косвенных оценок деформации по различным геофизическим характеристикам связывается с волновой природой в работах [8, 9]. Регистрация миграции деформаций по данным экстензометрических измерений представлена в работе [1]. Волновые процессы, выявленные по данным геодезических измерений, описаны в работе [5]. При этом изучено поведение вертикальных движений земной поверхности в разломных зонах.

Попытка связи миграции эпицентров слабых землетрясений с нарушениями сезонных колебаний в изменениях координат временных рядов некоторых пунктов региональной сети ГНСС-наблюдений представлена в работах [1, 8].

Сложившиеся представления о механизме наблюдаемой миграции эпицентров землетрясений и геофизических проявлений не позволяют предложить единую и непротиворечивую модель малоизученного процесса. Наиболее убедительным теоретическим описанием, сегодня, является автоволновая модель механизма миграции деформационных характеристик [6]. Автор рассматривает два типа медленных деформационных волн: “межразломные” и “внутриразломные”. Для межразломных типов изучаемого процесса единственно возможным объяснением на сегодняшний день, автором признается модель автоволновой миграции деформационной активности. В описании автоволновых процессов рассматриваются режимы состояния активной среды: автоколебательный, возбудимый режим и режим триггера. В последнем варианте в активной среде инициируется и распространяется волна возбуждения. Одним из выводов автора анализа современного состояний проблемы [6] является утверждение, что “имеющаяся к настоящему времени эмпирическая информация о пространственно-временной миграции деформационных процессов (медленных деформационных волн) не способна объяснить весь спектр наблюдаемых движений земной поверхности различных масштабов”. Это обусловлено отсутствием достаточно плотных и продолжительно функционирующих наблюдательных сетей. Особое место при этом отводится сетям непрерывных ГНСС-наблюдений за движениями и деформациями земной поверхности.

Ниже нами представлены новые экспериментальные доказательства существования медленных деформационных волн в районе высокой сейсмической активности.

ИНИЦИИРОВАННЫЕ ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ В СЕЙСМИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

Стратегия исследования. Сегодня на территории Земного шара функционирует порядка двадцати тысяч постояннодействующих станций ГНСС, наблюдения на которых продолжаются вплоть до первых десятков лет. В открытом доступе предоставляются временные ряды точных (сантиметровая точность) координат наблюдательных пунктов, полученных по суточным непрерывным наблюдениям [10]. Координаты временных рядов пунктов ГНСС получены по стратегии РРР (Precise Point Positioning) с использованием высокоточной продукции Международной службы ГНСС (International GNSS Service) с опорой на глобальную геодезическую основу ITRF2014. Эти современные достижения позволили нам зарегистрировать волновые деформационные процессы в одном из сейсмоактивных районов Земли.

Областью исследований было выбрано западное побережье Северной Америки. При этом изначально предполагался поиск деформационных предвестников сильных землетрясений, сосредоточенный главным образом в эпицентральных зонах уже свершившихся сильных сейсмических событий, перед возникновением которых были накоплены годы и десятилетия непрерывных ГНСС-наблюдений [12, 13].

С этой целью по изменениям плановых координат u_n и u_e (оси n и e направлены на север и восток) вычислялись компоненты тензора горизонтальной деформации

элементы которого ${{\varepsilon }_{n}} = \frac{{\partial {{u}_{n}}}}{{\partial n}}$, ${{\varepsilon }_{e}} = \frac{{\partial {{u}_{e}}}}{{\partial e}}$ и ${{\varepsilon }_{{en}}} = {{\varepsilon }_{{ne}}}$ = = $\frac{1}{2}\left( {\frac{{\partial {{u}_{n}}}}{{\partial e}} + \frac{{\partial {{u}_{e}}}}{{\partial n}}} \right)$, соответственно, где $\frac{{\partial {{u}_{n}}}}{{\partial e}}$ + $\frac{{\partial {{u}_{e}}}}{{\partial n}}$ = ${{\gamma }_{{ne}}}$ = = ${{\gamma }_{{en}}}$ – относительный сдвиг.

Элементы тензора деформации являются частными производными смещений u_n и u_e по осям координат n и e.

Ввиду того, что наблюдательные сети и эпицентры сильных землетрясений были расположены на активной границе Северо-Американской и Тихоокеанской тектонических плит, где преобладают деформации сдвига по простиранию сейсмогенерирующих разломов, нами рассчитывались и подвергались анализу деформации полного сдвига γ = $({{({{\varepsilon }_{n}} - {{\varepsilon }_{e}})}^{2}}$ + $\gamma _{{ne}}^{2}{{)}^{{1/2}}}$.

Компоненты деформаций вычислялись согласно методу, описанному в [17].

Цифровые модели накопленных от начального цикла деформаций полного сдвига на каждые сутки наблюдений формировали изображения кадров специальной кинематической анимации – видеофайла, демонстрирующего ход деформационного процесса в пространстве и времени в связи с ходом сейсмической активности и характером разломной тектоники района.

Данные о сейсмичности получали из каталога землетрясений Национального центра сейсмического мониторинга США (National Earthquake Information Center – NEIC).

Местоположения активных разломов, изображаемых на кадрах, были получены с цифровой карты геопортала Геологической службы США [http://usgs.maps.arcgis.com/home/].

Полученные кинематические визуализации данных обеспечили прямые наблюдения за сейсмодеформационным процессом и их эвристический анализ. Соответствующие видео-анимации размещены на научном информационном ресурсе Research Gate. Прямые ссылки на расположение синоптических анимаций даны ниже в соответствующих разделах статьи.

РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Внутриразломная деформационная волна в районе сейсмоактивной зоны Паркфилд. Особый интерес для изучения процесса подготовки сильного землетрясения представляет собой сейсмоактивная зона Паркфилд (США), где с убедительной регулярностью порядка 20–30 лет повторяются землетрясения с магнитудой М ≥ 6 [15]. Это обстоятельство сегодня позволяет средствами непрерывных ГНСС-наблюдений регистрировать деформации земной коры на протяжении полного сейсмического цикла. Основным активным тектоническим элементом в этом районе является разломная зона Сан-Андреас. По описанной выше стратегии получена кинематическая визуализация сейсмодеформационного процесса для интервала с 01 января 2006 г. по 23 декабря 2020 г. (http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.10619.39205). Отдельные кадры развития сейсмодеформационного процесса представлены на рис. 1.

Зарождение деформационной волны представлено на рис. 1а. Оно по времени и по месту совпадает с возникновением слабого землетрясения M_w = 3, которое запускает деформационную волну. Распространение волнового фронта (рис. 1б–и) протекает вдоль разлома Сан-Андреас в противоположных направлениях с преимуществом на юго-восток со средней скоростью 2 км/год. Волна обнаруживается примерно через 8 мес после начала наблюдений за деформациями. В центре участка разломной зоны Сан-Андреас, там, где в 2004 г. произошло последнее сильное землетрясение, накопление деформаций не происходит.

“Внутриразломная” деформационная волна возбуждения землетрясения Напа 2014 г. Поиск предвестников землетрясения Напа (24 августа 2014 г., М_w = 6, США, Калифорния) позволил обнаружить деформационную волну сдвига, послужившую триггером этого землетрясения. При анализе деформационных неоднородностей, предшествующих землетрясению Напа, была обнаружена область накопления аномально высоких сдвиговых деформаций в десятках километров к юго-востоку от эпицентра главного события. Максимум сдвиговой деформации оказался почти в сотне километров к юго-востоку от землетрясения Напа. Построенная кинематическая визуализация [13] с временным разрешением в трое суток продемонстрировала интересный сейсмодеформационный процесс. На принципиально важных кадрах видео-анимации (рис. 2) можно проследить эволюцию деформационной волны в связи с протекающей сейсмической активностью на интервале от 16 января 2006 г. до 11 января 2017 г. Первые кадры (рис. 2 а, б) показывают, что место возникновения деформационной волны сдвига совпадает с эпицентрами пары умеренных землетрясений М_w > 5 на разломе Калаверас. На протяжении года волна распространялась симметрично на юго-восток и северо-запад согласованно с увеличением числа слабых толчков в зоне ее охвата (рис. 2 в). Позже стало преобладать направление перемещения фронта волны на северо-запад (рис. 2 г, д) вдоль разлома Хайвард, где предсказывается возможность возникновения разрушительного землетрясения (HayWired Scenario). Переход волны на соседний разлом Напа представлен на рис. 2 г, д.

Разрядка землетрясения Напа 2014 г. показана на рис 2 е. На рис. 2 ж, з продемонстрировано продолжение распространения волны после главного события на северо-запад, где в итоге в окрестностях вулканического поля Clear Lake происходит умеренное землетрясение с М_w = 5.

Двумерная концентрическая автоволна перед землетрясением Риджкрест. Аналогичный анализ эволюции сейсмодеформационного процесса осуществлен в связи с землетрясением Риджкрест (июль 2019 г., США, Калифорния), М_w = 7.1. За период с 19 июля 2006 г. по 02 августа 2019 г. была построена кинематическая визуализация сейсмодеформационного процесса (https://doi.org/10.13140/RG.2.2.11595.41767). Временное разрешение видео-анимации составляло 3 сут. Ключевые кадры визуализации представлены на рис. 3.

Примечательно то, что примерно за два года до обнаружения роста аномальных деформаций полного сдвига в двух десятках километров севернее экстремума произошло умеренное землетрясение с М_w = 5 (рис. 3а). В связи с этим следует заметить, что в данном районе сравнительно невысока густота пунктов наблюдательной сети, что может отражаться на точности фиксации положения экстремума деформации, получаемого интерполяцией. Начало развития деформационной волны совпадает с северной частью вулканического поля Косо, в области которого наблюдается рост слабой сейсмичности (рис. 3а–е). От данного места, примерно с севера на юг, к эпицентру будущего главного сильного толчка протягивается цепочка слабых событий, в дальнейшем количественно увеличившаяся за счет афтершоков сильных событий (рис. 3ж–и). Область роста деформационной волны не является вытянутой. Она в значительной степени круговая, что можно объяснить отсутствием в этом месте генерального разлома (линейного волновода), как в двух рассмотренных выше случаях. В центре этой зоны, на мелкомасштабном изображении (рис. 3), показанной точечным условным знаком вулкана, имеется высокая раздробленность земной коры, на что указывает также рой слабых землетрясений (рис. 3б–и). Квази-концентрическое распространение деформационной волны захватило соседние разломы, расположенные восточнее (рис. 3г–ж). Кадры (рис. 3ж–и) демонстрируют генетическую связь между деформационной волной и сильнейшими сейсмическими событиями. Это дает основания предполагать ее триггерное воздействие на готовые к разрядке сейсмической энергии очаги серии сильных событий Риджкрест 2019 г.

ДИСКУССИЯ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ опубликованных работ позволяет говорить о том, что сегодня теоретические исследования значительно опережают экспериментальную регистрацию феномена деформационных волн. В связи с этим представленные результаты имеют существенный научный интерес как первые доказательства существования деформационных волн в связи с ходом сейсмического процесса.

Сравнение характеристик обнаруженных деформационных волн представлено в табл. 1.

Результаты показывают, что скорости движения и значения деформации волнового фронта не значительно отличаются друг от друга по порядку их величин.

Проведенные исследования сейсмодеформационного процесса в районе контакта Тихоокеанской и Северо-Американской тектонических плит продемонстрировали возможность регистрации деформационных волн и их взаимосвязь с сейсмическими событиями на основе обработки сетей непрерывных и долговременных ГНСС-наблюдений.

Развитие деформационной волны в пространстве и времени обнаруживается при наблюдении за сейсмодеформационным процессом на его кинематических визуализациях. Эвристический анализ кинематических визуализаций позволяет выдвигать предположения о механизме наблюдаемых геодинамических явлений.

Совокупность полученных результатов позволяет предполагать следующие условия возникновения и распространения деформационных волн:

– главной действующей силой, обусловливающей региональный и локальный сеймо-деформационный процесс, является динамика взаимодействия контактирующих глобальных тектонических плит;

– характер деформационных волн зависит от пространственного распределения областей сцепления активных тектонических разломов и их структуры.

Последнее условие объясняет форму и скорость распространения деформационной волны. Оно в будущем может объяснить различие в скоростях и амплитудах деформационных волн, инициирующих сейсмическое событие определенной силы.