Физика Земли, 2020, № 2, стр. 29-49

ВВЕДЕНИЕ

Вблизи побережья Японии в окрестности г. Тохоку 11.03.2011 г. произошло одно из сильнейших за период инструментальных наблюдений катастрофическое землетрясение с M_w = 9.0. С момента возникновения этого меганадвига прошло немногим более 8 лет, но за это время появилось в печати много десятков научных публикаций, посвященных этому выдающемуся сейсмическому событию. Лишь их незначительная часть приведена в библиографии к настоящей работе.

Научная ценность этих публикаций базируется на обширном инструментальном комплексе самых современных наблюдений как задолго до события, так и после него. Комплекс включал самые плотные в мире сети сейсмических наблюдений как на суше [Okada et al., 2004; Katsumata, 2011; Lay et al., 2011; Uchida, Matsuzawa, 2011; Yamamoto et al., 2014; Azuma et al., 2018], так и на дне Тихого океана в прибрежной зоне [Obana et al., 2012; Shinohara et al., 2012; Yamamoto et al., 2014; Ito et al., 2017; Azuma et al., 2018]; столь же плотные сети пунктов GPS [Geospatial…, 2011; Iinuma et al., 2012; Ozawa et al., 2012; Azuma et al., 2018], включая измерения смещений морского дна [Fujiwara et al., 2011; Kido et al., 2011; Sato et al., 2011]; гравиметрические данные [Wang et al., 2012]; повторные батиметрические измерения поверхности морского дна в широкой окрестности глубоководного Японского желоба [Tsuru et al., 2000; 2002]; данные о форме волны цунами, использовавшиеся для характеристики типа подвижки в очаге [Ide et al., 2011; Tsushima et al., 2011; Tsuji et al., 2011; Iinuma et al., 2012; Satake et al., 2013]; данные бурения морского дна [Ujiie et al., 2013], позволившие авторам предположить, что мелководное косейсмическое скольжение было вызвано термическим нагнетанием непроницаемого богатого жидкостью смектита. Были выполнены измерения времен пробега рефрагированных и отраженных упругих волн на ряде сейсмических профилей, поперечных к желобу, и построение на основе этих данных глубинной скоростной структуры земной коры и верхней части подкорового слоя в области коллизии литосферных плит [Zhao et al., 2011; Nakahigashi et al., 2012; Shinohara et al., 2012; Yamamoto et al., 2014; Ito et al., 2017; Azuma et al., 2018], позволившие осуществить корреляцию между изменениями структуры аккреционной призмы и степенью косейсмического поверхностного скольжения вблизи осевой области океанического желоба.

Обширная многосторонняя геофизическая информация, полученная до и после возникновения этого меганадвига, привела к новому пониманию возникновения подобных событий в зонах субдукции литосферных плит и позволила разработать ряд моделей блокировки и срабатывания столь крупных сейсмических событий в зонах коллизии литосферных плит [Iinuma et al., 2012; Ребецкий, Полец, 2014; Rebetsky et al., 2016; Sun et al., 2017; Wang et al., 2018].

Поскольку большие землетрясения, вероятно, производятся концентрацией напряжений в окрестности будущего разрыва сплошности среды, главный толчок служит разрядкой этих накопленных напряжений, и динамика их релаксации выражается в характере афтершоковой последовательности. Для понимания физической связи между главным толчком и его афтершоковой последовательностью важно изучить пространственно-временное распределение фокальных механизмов этих событий. Подобные исследования также были выполнены в связи с землетрясением в Тохоку, например, в работах [Asano et al., 2011; Lin, Wu, 2012] по данным фокальных механизмов за время с 01.06.2003 по 24.05.2011 гг. в первой работе и с января 1976 по ноябрь 2011 гг. во второй работе. Они показали, что разрушение меганадвига могло быть вызвано большим накоплением энергии деформации на поверхности субдуцирующей плиты во время блокировки области разрыва в межсейсмический период. Характер высвобождения этой энергии различался во внутриплитовой части разрыва, под ней и в верхней перекрывающей плите. Это нашло свое выражение в вариациях типов фокальных механизмов и формы реализованного суммарного сейсмического момента на разных глубинах и по латерали. Эти различия авторы указанных исследований объясняли различным механизмом релаксации накопленной деформации в пределах различных элементов структуры зоны субдукции.

Наиболее полно ситуация с фокальными механизмами афтершоков землетрясения в Тохоку до конца 2013 г. описана в работе [Nakamura et al., 2016]. Авторами был разработан новый метод для классификации типов подвижек при слабых землетрясениях, определение фокальных механизмов которых на основе традиционных методов затруднено. Для этого привлекались к рассмотрению более сильные землетрясения с близкими эпицентрами, волновые формы которых использовались для определения фокальных механизмов как этих событий, так и близких к ним слабых землетрясений. В результате удалось определить фокальные механизмы для почти 9 тыс. сейсмических событий за период с 1984 по 2013 гг. На их основе обсуждалось пространственное распределение типов подвижек до и после землетрясения 2011 г. в Тохоку. Изучались расположения сбросовых и надвиговых подвижек в очагах землетрясений относительно глубины поверхности субдуцирующей плиты до и после землетрясения в Тохоку. Если до землетрясения преобладали межплитовые надвиговые подвижки, то после него возросла роль сбросовых подвижек на малых глубинах в верхней висячей плите. При этом, в области больших величин косейсмического скольжения межплитная сейсмичность резко снизилась, вероятно, из-за падения касательного напряжения на границе плит в момент землетрясения, а за пределами этой области она резко возросла. Предполагается, что наблюдаемое при этом пространственное изменение соотношения типов фокальных механизмов обусловлено драматическим изменением условий внутриплитного сочленения при землетрясении в Тохоку, создавшим неоднородное распределение напряжений вокруг его источника.

Несмотря на столь большое число исследований, посвященных катастрофическому землетрясению в Тохоку, осталась, как нам представляется, не до конца освещенной область статистики параметров фокальных механизмов землетрясений в пространственно-временной окрестности этого события, лишь частично затронутая в работе [Nakamura et al., 2016]. Заполнению этого пробела и посвящена наша скромная работа.

Данные о фокальных механизмах в пространственно-временной окрестности катастрофического землетрясения 11.03.2011 г. в Тохоку и результаты их анализа

По данным стандартного каталога ISC оценивались характеристики фокальных механизмов в пространственно временной окрестности катастрофического землетрясения 11.03.2011 г. в Тохоку (Япония). Использовались преимущественно агентства HRVD и NICE. Пространственная выборка фокальных механизмов для настоящего исследования приведена на рис. 1. Она определялась областью основных афтершоков этого землетрясения (один из примеров которой приведен на рис. 1), заключенной преимущественно в пределах 35–40° с.ш. и 140–145° в.д. (рис. 1). Временной интервал оцениваемых характеристик фокальных механизмов составлял 2001–2017 гг. Глубинный интервал ограничивался 65-ю км, поскольку глубина погружения субдуцирующей Тихоокеанской плиты под восточным побережьем Японии не превышает этой глубины по свидетельству большинства исследователей ([Hasegawa et al., 2011; Zhao et al., 2011; Asano et al., 2011; Kawamura et al., 2013; Nakamura et al., 2016]).

Рис. 1.

Распределение внутриплитовых афтершоков с фокальными механизмами надвигового типа, которые произошли на границе висячей континентальной плиты и субдуцирующей океанической Тихоокеанской плиты в полосе шириной 20 км вокруг этой границы с момента главного толчка по 24.05.2011 г. Рисунок заимствован из работы [Kumagai et al., 2012, рис. 1b]. Большой круг в центре представляет собой источник катастрофического землетрясения (M_w = 9) 2011 г. в Тохоку. Показаны батиметрия вдоль Японского желоба и топография северо-восточной части Японии. Стрелка указывает вектор скорости сходимости Тихоокеанской плиты с Охотской плитой. Белой рамкой показана область выборки фокальных механизмов в настоящем исследовании.

Строились гистограммы наклонов и азимутов простирания для всех трех осей фокальных механизмов в форшоковый и афтершоковый периоды. За форшоковый период мы принимали временнóй интервал с 01.01.2005 по 11.03.2011 гг. За временнóй интервал основной совокупности афтершоков принимался период с 11.03.2011 по 31.12.2011 гг.

На рис. 2 приведены гистограммы углов наклона с горизонтом и азимутов простирания главных осей сброшенных напряжений для всех выбранных за этот период из каталога ISC фокальных механизмов в интервале глубин 0–65 км. Согласно этому рисунку около 85% фокальных механизмов землетрясений в этот период времени характеризуются малыми углами наклона с горизонтом (менее 30°) промежуточных осей (В), ориентированными преимущественно в диапазоне азимутов 180°–210°. При этом оси сжатия (Р) преимущественно близгоризонтальны (углы наклона менее 40°) и ориентированы примерно ортогонально к осям В, а оси растяжения (Т) близвертикальны (углы наклона более 50°). Подобная взаимная ориентация трех главных осей в рассматриваемой совокупности фокальных механизмов подразумевает четкое преобладание в рассматриваемом регионе на указанных глубинах режима надвиго- либо поддвигообразования. Это соответствует хорошо известному тектоническому предположению о пододвигании Тихоокеанской океанической литосферной плиты под континентальную Охотскую плиту в районе Японских островов приблизительно в близширотном направлении.

Рис. 2.

Гистограммы углов наклона с горизонтом и азимутов простирания для осей B (промежуточная), P (сжатие) и T (растяжение) фокальных механизмов землетрясений в интервале глубин 0–65 км за период времени с 01.01.2005 по 11.03.2011 гг., предшествовавший катастрофическому землетрясению в Тохоку (Япония); N – число индивидуальных фокальных механизмов в оцениваемой выборке.

Чтобы убедиться, что продемонстрированный на рис. 2 режим сейсмотектонического деформирования отражает его долговременный характер, а не является эффектом возможного форшокового “упорядочивания” перед катастрофическим землетрясением, мы расширили рассмотрение гистограмм углов наклона и азимутов главных осей фокальных механизмов на предшествующий рассмотренному периоду времени с 2001 по 2004 гг. Соответствующие гистограммы приведены на рис. 3.

Рис. 3.

Гистограммы углов наклона с горизонтом и азимутов простирания для осей B (промежуточная), P (сжатие) и T (растяжение) фокальных механизмов землетрясений в интервале глубин 0–65 км за период времени с 01.01.2001 по 31.12.2004 гг.

Вид гистограмм оказался практически неизменным по отношению к приведенным на рис. 2. Это может быть рассмотрено как свидетельство устойчивого вида сейсмотектонического деформирования за сравнительно долгий период времени, предшествовавший катастрофическому землетрясению в Тохоку.

Вид средних фокальных механизмов, построенных в рамках методики Юнги С.Л. [1990] по двум совокупностям индивидуальных механизмов очагов землетрясений, описанным выше при рассмотрении рис. 2 и рис. 3, и определяющих тип сейсмотектонической деформации в эти два сопоставляемые интервала времени, приведен на рис. 4. Численные значения для параметров полученных решений средних фокальных механизмов приведены соответственно в первых двух строчках табл. 1.

Рис. 4.

Вид средних фокальных механизмов за два периода времени: (а) – 2001–2004 гг.; (б) – 2005–2011 гг.), предшествовавших катастрофическому землетрясению в Тохоку, построенных в рамках методики Юнги С.Л. [1990]: 1 – выход на нижнюю фокальную полусферу главных осей p (сжатия) индивидуальных фокальных механизмов; 2 – выход на нижнюю фокальную полусферу главных осей t (растяжения) индивидуальных фокальных механизмов; 3 – положение главной оси Р полученного решения среднего механизма; 4 – положение главной оси Т полученного решения; 5 – положение промежуточной оси В полученного решения. Зачернена на проекции фокальной полусферы область удлинения (растяжения).

Как видим, решения за два разные срока, предшествовавшие сильному землетрясению, практически идентичны. Мало отличимые от 0 значения коэффициента Лоде–Надаи μ_M предполагают, что в обоих временны́х интервалах сейсмотектоническое деформирование (СТД) осуществляется в виде пододвигания Тихоокеанской литосферной плиты под континентальную Охотскую плиту в районе Японских островов. Высокие значения коэффициента соответствия индивидуальных фокальных механизмов полученному решению для среднего механизма (k = 0.74–0.81) свидетельствуют в пользу высокой устойчивости полученной оценки.

На рис. 5 приведены распределения чисел землетрясений по глубинам их очагов как за весь срок с 2001 по 2011 гг., предшествовавший сильному сейсмическому событию (рис. 5а), так и в афтершоковый период с 11.03.2011 по 31.12.2011 гг. Следует заметить, что согласно рис. 5а более половины землетрясений, использованных для оценки типа сейсмотектонического деформирования за предшествовавший сильному сейсмическому событию период, произошли на глубинах более 30 км. Эта глубина для Японии принимается за нижнюю кромку земной коры [Nakahigashi et al., 2012; Lin, Wu, 2012; Shinohara et al., 2012; Yamamoto et al., 2014; Ito et al., 2017]. То есть определяющим в характере долговременного деформирования верхнего слоя кора–мантия для Японии является именно пододвигание Тихоокеанской литосферы под континентальную Охотскую плиту в окрестности Японских островов. Следовательно, межплитовые землетрясения составляют основу сейсмичности прибрежной акваторией Японии.

Рис. 5.

Распределение гипоцентров землетрясений по глубине в пределах рассматриваемой пространственной выборки: (а) – в “форшоковый” период (2001–11.03.2011 гг.); (б) – в афтершоковый период (11.03.2011–31.12.2011 гг.)

Мы уже отмечали высокую устойчивость СТД за длительный период времени до момента катастрофического землетрясения в Тохоку при рассмотрении средних фокальных механизмов, построенных в основном по сравнительно слабым сейсмическим событиям (M ≤ 6). Добавим к этому, что и сравнительно сильные сейсмические события (М = 6.6–7.2), имевшие место в это время в пределах рассматриваемой пространственной выборки, мало различались между собой по типу фокального механизма. Это продемонстрировано на рис. 6, где приведены фокальные механизмы для 7-ми таких землетрясений, включая достаточно сильный форшок (M_w = 7.3) 09.03.2011 г., по данным стандартного каталога ISC. Параметры этих достаточно сильных землетрясений приведены в табл. 2. Все эти семь относительно сильных сейсмических событий представляют собой надвиги с близгоризонтальной ориентаций главных осей сжатия P в азимутальном секторе 109–132° и близвертикальной ориентацией главных осей растяжения Т (в диапазоне углов наклона с горизонтом 57–86°). Они оказываются близки к характеристикам фокального механизма главного сейсмического события (выделенная жирным восьмая строчка в табл. 2).

Рис. 6.

Фокальные механизмы всех относительно сильных землетрясений с М ≥ 6.6 в пределах рассматриваемой пространственной выборки на фоне временного ряда двухмесячных чисел землетрясений с определенными фокальными механизмами во временном интервале 2005–2017 гг.

Обратимся теперь к оценке вида сейсмотектонической деформации (СТД) в афтершоковой последовательности катастрофического землетрясения в Тохоку. На рис. 7 приведены гистограммы углов наклона с горизонтом и азимутов простирания для всех выбранных из стандартного каталога ISC фокальных механизмов в интервале глубин 0–65 км за время с 03.11.2011 по 31.12.2011 гг.

Рис. 7.

Гистограммы углов наклона с горизонтом и азимутов простирания для осей B (промежуточная), P (сжатие) и T (растяжение) фокальных механизмов землетрясений в интервале глубин 0–65 км за афтершоковый период времени с 11.03.2011 по 31.12.2011 гг. после землетрясения в Тохоку.

Согласно этому рисунку около 90% фокальных механизмов землетрясений в этот период времени характеризуются малыми углами наклона с горизонтом промежуточных осей В (менее 30°), ориентированными преимущественно в диапазоне азимутов 180–210°. В этом отношении эти характеристики аналогичны таковым в период времени, предшествовавший землетрясению. Но при этом в распределении углов наклона с горизонтом как для осей Р, так и для осей Т наблюдаются два четко выраженных экстремума вблизи 0–25° и 65–85°. Подобная взаимная ориентация трех главных осей в рассматриваемой совокупности фокальных механизмов подразумевает существование в афтершоковой последовательности двух режимов СТД – надвиго-поддвигового (преобладает субгоризонтальная ориентация главной оси укорочения (сжатия) Р при субвертикальной ориентации главной оси удлинения (растяжения) Т), идентичного режиму деформирования в форшоковый период, и сбросо-взбросового (преобладает субвертикальная ориентация оси Р при субгоризонтальной ориентации оси Т), нехарактерного для форшокового периода. Очевидно, что построение среднего фокального механизма для такой “двойной” совокупности индивидуальных фокальных механизмов оказывается бессмысленным в силу их несовместимости в рамках одного совместного решения. Поэтому, согласно приведенному на рис. 7 распределению углов наклона главных осей индивидуальных фокальных механизмов мы разделили полную их выборку в афтершоковый период на две совокупности: с углами наклона с горизонтом осей Р, равными и менее 40°, и с углами их наклона более 40°.

Построенные по этим двум выборкам тензоры средних фокальных механизмов приведены на рис. 8. Численные значения расчетных параметров этих тензоров приведены соответственно в третьей и четвертой строчках табл. 1. Полученные решения оказались очень устойчивыми, что хорошо видно как из практически полного разделения точек выхода индивидуальных осей p и t на проекции фокальной полусферы, так и согласно высоким значениям параметра k (0.75–0.83 в табл. 1). Поэтому выполненную выше процедуру разделения выборки индивидуальных фокальных механизмов в афтершоковой последовательности на две следует признать достаточно корректной.

Рис. 8.

Вид средних фокальных механизмов за афтершоковый период времени (11.03.2011–31.12.2011 гг.), построенных по двум раздельным выборкам с углом наклона осей P индивидуальных механизмов равным и менее 40° (a) и более 40° (б). Все обозначения соответствуют легенде на рис. 4.

Полученные решения принципиально отличаются друг от друга. Решение 8а описывает надвиго-поддвиговый режим сейсмотектонической деформации (СТД), практически полностью соответствующий долговременному типу СТД в предшествующий землетрясению период времени (см. рис. 4). Решение 8б описывает сбросо-взбросовый режим СТД, возможную причину возникновения которого мы рассмотрим несколько позже.

Подобный двойной режим деформирования сохраняется достаточно долго после возникновения катастрофического землетрясения в Тохоку. Так на рис. 9 приведены гистограммы углов наклона для осей Р и Т за различные периоды времени после сильного землетрясения. Эти гистограммы аналогичны таковым для афтершокового периода за 11.03.2011–31.12.2011 гг., приведенным на рис. 7. Так что следует признать, что наблюдаемый нами “двойной” режим СТД продолжается, по крайней мере, до конца 2017 г. Соответствующие тензоры для средних механизмов за указанные на рис. 9 интервалы времени приведены на рис. 10. Численные значения параметров построенных решений приведены в 5–12 строчках табл. 1. Надежность построения средних фокальных механизмов достаточно высокая, о чем свидетельствуют как хорошее разделение точек выхода индивидуальных осей p и t на проекции фокальной полусферы, так и высокие значения параметра k (0.63–0.79 в табл. 1).

Рис. 9.

Гистограммы углов наклона для осей Р и Т за различные периоды времени после сильного землетрясения в Тохоку.

Рис. 10.

Вид средних фокальных механизмов за 4 временны́х интервала после катастрофического землетрясения в Тохоку, построенных по двум раздельным выборкам: левая колонка – для выборок индивидуальных механизмов с углом наклона осей Р, равным и менее 40°. Правая колонка – углы наклона осей Р более 40°. Все обозначения соответствуют легенде на рис. 4.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АФТЕРШОКОВ С РАЗЛИЧНЫМ ТИПОМ ФОКАЛЬНОГО МЕХАНИЗМА

Обратимся теперь к рассмотрению пространственного распределения афтершоков с различным типом фокального механизма. На рис. 11 показаны раздельно карты эпицентров афтершоков землетрясения в Тохоку (11.03.2011–31.12.2011 гг.) с надвиговым (рис. 11а) и сбросовым (рис. 11б) типом фокального механизма. Ниже на рис. 11в и 11г показаны соответственно распределения по глубинам афтершоков с такими типами механизмов. Если землетрясения с надвиговым типом фокального механизма достаточно равномерно заполняют широкую окрестность эпицентра разрушительного землетрясения (показанного на рис. 11 в виде кружка с надвиговым типом подвижки), включая область максимальных значений косейсмического скольжения, установленную по геодезическим данным [Geospatial…, 2011], то афтершоки со сбросовым типом подвижки как бы “избегают” этой области. При этом гипоцентры последних расположены преимущественно на малых глубинах в земной коре (<20 км), как бы прижимаясь к побережью Хонсю согласно рис. 11г, тогда как землетрясения с надвиговым типом подвижки располагаются в нижней части коры и в верхней мантии с максимумом в интервале глубин 45–55 км.

Рис. 11.

Карта эпицентров афтершоков землетрясения в Тохоку (11.03.2011–31.12.2017 гг.) с надвиговым (а) и сбросовым (б) типом фокального механизма, и соответствующие им распределения по глубине их гипоцентров (в), (г), где N – общее число событий в данной выборке. Жирной линией с пустыми треугольниками обозначен глубоководный Японский желоб, в пределах которого осуществляется субдукция Тихоокеанской океанической литосферной плиты под Охотскую континентальную плиту. Жирными черными контурами обозначена область максимальных косейсмических скольжений (цифры в метрах) во время землетрясения в Тохоку [Iinuma et al., 2012]; в эпицентре землетрясения приведен фокальный механизм этого меганадвига согласно стандартного каталога ISC ([International…]). Затенена на рис. 11а и 11б сухопутная территория острова Хонсю, Япония.

На рис. 12 приведено вертикальное сечение этой области афтершоков в широтной полосе 36.5–39.5° с.ш., в пределах которой содержится и область максимальных величин косейсмического скольжения. Из сопоставления рис. 11г и рис. 12 следует, что практически все афтершоки со сбросовым типом подвижки в очаге располагаются к западу от 143 меридиана в пределах земной коры, и пространственно отделены от афтершоков с надвиговым типом фокального механизма, располагающихся здесь на существенно больших глубинах. Отсутствие афтершоков в интервале глубин 0–10 км надо рассматривать как артефакт, обусловленный малой точностью локации гипоцентров службой ISC в море из-за отсутствия там постоянных сейсмических станций.

Рис. 12.

Вертикальное сечение области афтершоков в широтной полосе 36.5–39.5° с.ш. Серым цветом показана акватория Тихого океана в окрестности глубоководного желоба, расположенного вблизи 144-го меридиана, жирной полоской между 140-ым и 141-ым меридианами – участок суши о. Хонсю, жирной линией – поверхность субдуцирующей плиты. Все эти элементы приведены согласно [Yamamoto et al., 2014; рис. 2]. Тонкой линией показано условное положение подошвы земной коры согласно представлениям в работах [Nakahigashi et al., 2012; Lin, Wu, 2012; Shinohara et al., 2012; Yamamoto et al., 2014; Ito et al., 2017]. Главный толчок показан в виде изображения его фокального механизма в вертикальной плоскости, нормальной к желобу; стрелками на этом изображении показано направление смещения на разных бортах “рабочей” плоскости, расположенной вблизи поверхности субдуцирующей плиты.

Надо отметить, что столь четкого разделения в пространстве афтершоков землетрясения в Тохоку с разным типом фокальных механизмов, которое демонстрируется на рис. 11, не наблюдается в работах японских авторов [Asano et al., 2011; Lin, Wu, 2012; Nakamura et al., 2016; Azuma et al., 2018]. Правда, следует заметить, что в каждой из перечисленных здесь публикаций используются различные каталоги фокальных механизмов, сгенерированные с использованием различных методов инверсии, за разные сроки наблюдений, с использованием дополнительной информации по слабым землетрясениям, не вошедшим в стандартный каталог ISC, данными которого мы здесь пользовались при своих построениях. Это отчасти может служить объяснением отсутствия идентичности между нашими и цитируемыми результатами. Хотя такие характеристики, как: 1 – преобладание надвиговых типов фокальных механизмов в очагах межплитных землетрясениях задолго до главного толчка; 2 – появление многочисленных землетрясений со сбросовым типом механизма в их очагах в верхних 10–15 км земной коры в пределах верхней плиты; 3 – существенное ослабление сейсмичности афтершоков в зоне высоких значений косейсмического скольжения, устанавливаемых в окрестности очага меганадвига по геодезическим данным, в целом отмечаются как в нашем, так и в цитируемых исследованиях.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Установление в широкой окрестности эпицентральной области катастрофического землетрясения 2011 г. в Тохоку (Япония) обширной зоны столь больших величин косейсмического скольжения (рис. 11) оказалось далеко не тривиальным фактом. Сейсмологические и геологические исследования, выполненные на территории Японии до этого землетрясения в окрестности его будущего очага, привели к предположению, что в случае катастрофического события в зоне субдукции на этом участке сопровождающие его величины косейсмического скольжения не могут быть значительными ввиду низких величин жесткости неконсолидированных осадочных пород и малых коэффициентов трения во фронтальной части аккреционной призмы на внутреннем склоне желоба [Bilek, Lay, 1999; Tsuru et al., 2000; 2002], а также малого уклона плоскости разрыва, влияющего на ширину фронтальной части аккреционной призмы [Scholz, 2002; Contreras-Reyes et al., 2010]. При этом делались ссылки на еще более сильное субдукционное Великое Андаманско-Суматранское землетрясение 2004 г. с магнитудой M_w = 9.2, при котором максимальная величина косейсмического скольжения не превышала 14 м при существенно большей протяженности области скольжения вдоль простирания желоба (см., например, [Wang et al., 2018]). Тем не менее, в реальности наблюдались очень высокие величины косейсмического скольжения (>50 м) в эпицентральной области катастрофического землетрясения в Тохоку.

Эту особенность землетрясения в Тохоку большой ряд исследователей связывает с особенностями подводной части геологической структуры прибрежной части Японии на малых глубинах вблизи выхода на поверхность разрывного нарушения при землетрясении. Было показано, что в пределах зоны максимальных величин косейсмического скольжения фронтальная часть аккреционной призмы расположена много ближе к оси желоба по сравнению с участками, расположенными севернее и южнее этой зоны (севернее 39.5° с.ш. и южнее 36.5° с.ш. соответственно, см. рис. 11). При этом ширина аккреционной призмы на этом участке восточнее префектуры Мияги существенно меньше (~300 км), чем на участках севернее и южнее его [Zhao et al., 2011; Shinohara et al., 2012; Tajima et al., 2013; Yamamoto et al., 2014; Asuma et al., 2018]. Структура этого участка аккреционной призмы приведена на рис. 13 согласно работам [Tsuji et al., 2011; Tajima et al., 2013; Cubas et al., 2013].

Рис. 13.

Структура аккреционной призмы в области максимальных величин косейсмического скольжения морского дна при катастрофическом землетрясении 2011 г. в Тохоку (Япония). Масштаб по вертикали в 3 раза больше, чем по горизонтали. Модифицированный рис. 7d из работы [Tajima et al., 2013]: 1 – водная толща Тихого океана; 2 – верхний тонкий слой морских осадков; 3 – мягкие терригенные отложениями неогенового возраста сильно деформированной фронтальной части аккреционной призмы; 4 – жесткое ядро аккреционной призмы мелового возраста; 5 – базальтовая кора субдуцирующей Тихоокеанской плиты; 6 – чешуйчатые надвиги во фронтальной части аккреционной призмы; 7 – сбросы в жестком ядре призмы; 8 – подвижка в очаге землетрясения в Тохоку на границе между висячей и субдуцирующей литосферными плитами со смещением около 80 м [Tajima et al., 2013]. Квадратиком со стрелками показан один из GPS-пунктов на дне океана, с указанием величин горизонтальных и вертикальных компонент косейсмического смещения. Backstop – надвиговая структура, разделяющая сильно деформированную фронтальную часть призмы от более жесткой и прочной ее срединной части.

Отличительной особенностью этого участка аккреционной призмы является установленное в процессе детальной сейсмологической съемки с использованием рефрагированных и отраженных сейсмических волн на ряде плотных сейсмических профилей более высоких, по сравнению с соседними участками, значений скоростей распространения волн Р и S на сравнительно малых глубинах в пределах аккреционной призмы [Zhao et al., 2011; Tajima et al., 2012; Yamamoto et al., 2014; Ito et al., 2017; Asuma et al., 2018]. Эти высокие скорости авторы цитируемых исследований связывают с более близко расположенной к желобу на этом участке тыльной части аккреционной призмы с жестким ядром на малых глубинах, сложенном прочными породами мелового возраста (рис. 13). При этом фронтальная часть аккреционной призмы, сложенная мягкими терригенными отложениями неогенового возраста [Tsuru et al., 2000; 2002] и смятая в складки по серии чешуйчатых надвигов (см. рис. 13), оказывается сильно сокращена по сравнению с аналогичными участками аккреционной призмы, расположенными к северу и югу от обсуждаемого участка. К тому же срединная часть призмы как бы нависает над фронтальной частью, перекрывая ее по пологому надвигу, называемому в англоязычной литературе как “backstop” (см. рис. 13), оказываясь существенно ближе к осевой части желоба. То есть “проскользнуть в желоб” в процессе меганадвига субдуцирующей плите оказывается более легко там, где фронтальная деформированная часть аккреционной призмы более узкая [Asuma et al., 2018].

Наблюденное нами практически полное отсутствие афтершоков со сбросовым типом фокального механизма на малых глубинах (<20 км) в зоне максимальных величин косейсмического скольжения (рис. 11б) можно объяснить с позиций полной релаксации напряжений, накопленных в процессе подготовки землетрясения в Тохоку в пределах обсуждаемой аккреционной призмы (в ее относительно жестких и прочных срединной и внутренней частях). Появление таких нетипичных афтершоков со сбросовым типом фокального механизма на малых глубинах в широкой окрестности обсуждаемой зоны релаксации упругих напряжений мы предлагаем объяснять с позиции возникновения при этом интенсивных субгоризонтальных растягивающих напряжений в окружающей эту зону верхней части земной коры. Именно эти растягивающие напряжения и обусловливают, по нашему мнению, возникновение нетипичных для зоны субдукции сбросовых подвижек в очагах афтершоков с глубинами менее 20 км, согласно рис. 11г и рис. 12, и составляющими около 70% от общего числа афтершоков, согласно рис. 5.

Следует заметить, что ориентация по азимуту этих субгоризонтальных растягивающих напряжений оказывается довольно хаотичной. Так, согласно рис. 7, главные оси субгоризонтальных растяжений показывают лишь слабую упорядоченность в довольно широком азимутальном секторе 100–140°, приблизительно ортогональном простиранию океанического желоба. Эту хаотичность можно связать с разрядкой в широком диапазоне азимутов напряжений, накопленных в окружающем пространстве аккреционной призмы, в область больших величин косейсмического скольжения, где уровень напряжений теперь крайне низок.

Наблюдаемым в процессе этой разрядки сбросовым подвижкам в очагах афтершоков на малых глубинах можно увидеть реальное подтверждение в геологической структуре аккреционной призмы в виде сбросовых разломов, отделяющих среднюю часть призмы от ее внутреннего жесткого ядра, один из примеров которых приведен на рис. 13. Тем самым, подобные разломы в аккреционной призме океанического побережья Японии можно считать носителями физической сущности неглубоких афтершоков катастрофического землетрясения 2011 г. в Тохоку с нетипичным для зон субдукции сбросовым типом фокального механизма.

В то же время следует заметить, что возникновение неглубоких афтершоков со сбросовым типом фокального механизма в эпицентральных зонах катастрофических субдукционных землетрясений далеко не обязательное проявление афтершокового процесса. Так, например, неизвестны сообщения о появлении столь же ярко выраженных последовательностей неглубоких афтершоков со сбросовым типом фокального механизма при таких катастрофических субдукционных землетрясениях как Суматранское 2004 г. с M_w = 9.2 (например, [Banerjee et al., 2007; Dewey et al., 2007; Лукк, Леонова, 2018]) и Чилийские 1960 г. с M_w = 9.5 и 2010 г. с M_w = 8.8 (см., например, [Contreras-Reyes et al., 2010]). В то же время очаги этих субдукционных землетрясений оказываются аналогичными землетрясению в Тохоку меганадвигами со слабо погруженной под континент плоскостью разрыва на контакте висячей и субдуцирующей плит, а мощные афтершоковые последовательности представлены в основном межплитными землетрясениями с надвиговым типом фокального механизма.

В этой связи уместно привести гистограммы углов наклона и азимутов простирания для трех главных осей фокальных механизмов в афтершоковой серии катастрофического Суматранского землетрясения 26.12.2004 г. с M_w = 9.2 (рис. 14). Как следует из этого рисунка, гистограммы в афтершоковый период (рис. 14б) практически неотличимы от таковых за предшествующий землетрясению период времени (рис. 14а). В обоих случаях наблюдается устойчивая близгоризонтальная ориентация главной оси сжатия (Р) при двух преобладающих положениях (близгоризонтальном и близвертикальном) главной оси растяжения (Т). Близвертикальное положение оси Т соответствует надвиговому режиму, наибольшее преобладание которого отмечается в афтершоковый период в непосредственной окрестности межплитного меганадвига, а близгоризонтальное положение оси Т соответствует сдвиговому режиму, который реализуется во всем рассмотренном здесь временном интервале на протяженном Суматранском сдвиге, рассекающем западное побережье острова Суматры в Индонезии.

Рис. 14.

Гистограммы углов наклона с горизонтом и азимутов простирания для осей B (промежуточная), P (сжатие) и T (растяжение) фокальных механизмов землетрясений в интервале глубин 0–65 км за период 1977–26.12.2004 г. до момента возникновения катастрофического Андаманско-Суматранского землетрясения 26.12.2004 гг. с M_w = 9.2 (а) и за афтершоковый период времени с 26.12.2004 по 31.12.2005 гг. после него (б) в пределах пространственной выборки размером около 5 кв. град, определенной в работе [Лукк, Леонова, 2018]. Сведения о фокальных механизмах заимствованы из стандартного каталога ISC преимущественно в версии агентств HRVD и NICE.

Остается неясным, в чем состоит суть столь существенных различий в наблюденных афтершоковых последовательностях при обсужденных здесь катастрофических меганадвигах в субдукционных зонах. Есть соображения, что большую роль при этом играет геологическое строение аккреционной призмы и мощность затягиваемых осадков в межплитовое пространство [Contreras-Reyes et al., 2010; Lay et al., 2012; Tajima et al., 2012; Cubas et al., 2013; Azuma et al., 2018; Wang et al., 2018]. Так, например, в работе [Wang et al., 2018] существенные различия в интенсивности постсейсмического скольжения в эпицентральных зонах катастрофических землетрясений в Тохоку 2011 г. и на Суматре 2004 г. предлагается связывать с различиями в ширине фронтальной части аккреционной призмы. Компактный тип аккреционной призмы с фронтальной частью менее 300 км при землетрясении в Тохоку в отличие от протяженной фронтальной части Суматранского землетрясения выдвигаются в качестве возможной причины этих различий.

Процессы аккреции и субдукции осадков и последствия этих процессов для меганадвиговой сейсмичности детально рассматривались применительно к катастрофическим меганадвигам Чили в работе [Contreras-Reyes et al., 2010]. При этом относительно небольшой фронт аккреционной призмы вдоль сегмента Чили совпадал с областью разломов транс-тихоокеанского региона катастрофического цунамигенного землетрясения 1960 г. (M_w = 9.5), тогда как относительно протяженный фронт призмы вдоль сегмента Мауле совпадал с протяженностью разрыва при более слабом землетрясении 2010 г. (M_w = 8.8) для тихоокеанского побережья Чили. Разрывная область катастрофического Чилийского события 1960 г. также коррелировалась с относительно толстым межплитовым каналом субдукции, образованным затягиванием малопрочных осадочных отложений в межплитное пространство в процессе субдукции, что может обеспечить достаточную гладкость процесса субдукции, обеспечивающую длительное латеральное распространение разрыва при меганадвиговом землетрясении [Contreras-Reyes et al., 2010].

В работе [Tajima et al., 2012] на основе томографических изображений структурных образований, установленных по величинам скоростей волн P и S в пределах аккреционной призмы, демонстрируются тонкие изменения физических свойств, которые могут определять состояние сцепления литосферных плит на малых глубинах и представлять собой ключ к пониманию процесса разрыва меганадвига при землетрясении в Тохоку.

Тем самым, надо признать, что геологическое строение аккреционной призмы в зоне сочленения литосферных плит может играть заметную роль как в процессе накопления упругих напряжений на стадии подготовки катастрофического землетрясения, так и на стадии их реализации. Одну из ярких сторон этой реализации мы видим в появлении в афтершоковой последовательности землетрясений на малых глубинах в пределах Японской аккреционной призмы со сбросовым типом фокального механизма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате статистического анализа совокупностей фокальных механизмов землетрясений в пространственно-временной окрестности эпицентральной зоны катастрофического сейсмического события 2011 г. с M_w = 9.0 в Тохоку (Япония) была установлена яркая особенность в афтершоковой последовательности этого события. В ней появились нехарактерные для зон субдукции землетрясения со сбросовым типом фокального механизма на малых глубинах (менее 20 км) в пределах прибрежной аккреционной призмы, составляющие около 70% от общего числа афтершоков. При этом сейсмические события в окрестности поверхности, разделяющей висячее и субдуцирующее крылья сталкивающихся здесь литосферных плит, обладали преимущественно надвиговым типом фокального механизма, аналогичным фокальному механизму катастрофического сейсмического события, как задолго до него, так и в афтершоковой последовательности на протяжении 7 лет.

Эта особенность не является тривиальным фактом, поскольку она не наблюдалась при столь же сильных катастрофических событиях на Тихоокеанском побережье Чили в 1960 и 2010 гг. (с M_w = 9.5 и с M_w = 8.8 соответственно) и на западном побережье острова Суматра в 2004 г. (с M_w = 9.2) в других зонах субдукции. При этом тип разрыва при всех этих событиях был примерно одним и тем же – меганадвигом.

Предполагается, что появление афтершоков со сбросовым типом фокального механизма на малых глубинах в пределах аккреционной призмы связано с деталями внутреннего строения призмы (с щириной ее фронтальной наиболее деформированной части, близостью к океаническому желобу жесткой и прочной тыльной части призмы, прочностью ее срединной части и пр.) и мощностью малопрочных терригенных осадков, затянутых в межплитное пространство в процессе субдукции литосферных плит. Эти детали, по-видимому, и определяют характер релаксации накопленных тектонических напряжений из широкой окрестности призмы в компактную область косейсмического скольжения с практически полной их разрядкой. Этим же отчасти можно объяснить столь продолжительную стадию афтершокового режима, сопровождающуюся столь ярким изменением кинематики типов фокальных механизмов в верхнем этаже земной коры.