Физика Земли, 2020, № 6, стр. 24-37

Повторяемость глубоких длиннопериодных землетрясений под ключевской группой вулканов на Камчатке

Н. А. Галина 12*, Н. М. Шапиро 12, Д. В. Дрознин 3, С. Я. Дрознина 3, С. Л. Сенюков 23, Д. В. Чебров 3

1 Институт наук о Земле, Университет Гренобль-Альпы, CNRS
г. Гренобль, Франция

2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
г. Москва, Россия

3 Камчатский филиал ФИЦ ЕГС РАН
г. Петропавловск-Камчатский, Россия

* E-mail: nataliya.galina@univ-grenoble-alpes.fr

Поступила в редакцию 03.04.2020
После доработки 16.06.2020
Принята к публикации 04.07.2020

Аннотация

Длиннопериодные землетрясения и треморы, наравне с вулкано-тектоническими землетрясениями, являются одним из двух основных классов вулканосейсмической активности. Считается, что длиннопериодная вулканическая сейсмичность связана с колебаниями давления в магматической и гидротермальной системах под вулканами и поэтому может быть использована в качестве предвестника готовящихся извержений. В то же время, физический механизм длиннопериодной сейсмичности остается неполностью понятым. В данной работе мы исследовали длиннопериодные землетрясения, происходящие на границе кора–мантия под Ключевской группой вулканов на Камчатке, с целью установить их закон повторяемости: связь между магнитудой и частотой событий. Данный тип землетрясений наиболее многочислен в изучаемом районе и характеризует состояние глубинного магматического резервуара, находящегося на границе кора–мантия. Изменения сейсмического режима в этой части магматической системы могут быть одним из ранних предвестников извержений. Для более полной характеристики закона повторяемости мы создали новый каталог глубоких длиннопериодных землетрясений на основе обработки непрерывных сейсмограмм, записанных сетью станций КФ ФИЦ ЕГС РАН в 2011–2012 гг., по методу согласованного фильтра. Также мы применили метод определения магнитуд этих землетрясений, приближенный к моментной шкале. Анализ полученного каталога из более 40 000 событий показывает значительные отклонения графиков повторяемости землетрясений от степенного распределения Гутенберга–Рихтера, что может указывать на наличие механизма сейсмичности и особенностей источников, отличных от обычных тектонических землетрясений. Показано, что распределение глубоких длиннопериодных землетрясений по магнитудам скорее описывается распределениями с характерными средними величинами, такими, как нормальное или гамма-распределение.

Ключевые слова: график повторяемости землетрясений, вулканическая сейсмичность, длиннопериодные землетрясения, моментная магнитуда, статистический анализ.

DOI: 10.31857/S0002333720060022

Список литературы

  1. Гаврилов В.А., Воропаев В.Ф., Головщикова И.А. и др. Комплекс радиотелеметрической аппаратуры ТЕСИ_2 // Сейсмические приборы. 1987. Т. 19. С. 5–16.

  2. Гордеев Е.И. Сейсмичность вулканов и контроль вулканической активности // Вестник ДВО РАН. 2007. № 2. С. 38–45.

  3. Горельчик В.И., Сторчеус А.В. Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом, Камчатка. Геодинамика и вулканизм Курило-Камчатской островодужной системы. ИВГиГ ДВО РАН. Петропавловск-Камчатский. 2001 г. С. 373–389.

  4. Раутиан Т.Г. Энергия землетрясений. Методы детального изучения сейсмичности (Труды ИФЗ АН СССР. № 9(176)). М.: ИФЗ АН СССР. 1960. С. 75–114.

  5. Раутиан Т.Г. Об определении энергии землетрясений на расстоянии до 3000 км. Экспериментальная сейсмика (Тр. ИФЗ АН СССР. № 32(199)). М.: Наука. 1964. С. 88–93.

  6. Сенюков С.Л. Прогноз извержений вулканов Ключевской и Безымянный на Камчатке. LAP Lamberts Academic Publishing. 2013. 152 с.

  7. Сенюков С.Л., Нуждина И.Н., Чебров В. Н. Сейсмический мониторинг вулканических районов Камчатки. Землетрясения России в 2011 году. Обнинск: ГС РАН. 2013. С. 75–79.

  8. Сенюков С.Л., Нуждина И.Н., Чебров В. Н. Сейсмический мониторинг вулканических районов Камчатки. Землетрясения России в 2012 году. Обнинск: ГС РАН. 2014. С. 77–82.

  9. Токарев П.И. Вулканические землетрясения Камчатки. М.: Наука. 1981. 164 с.

  10. Федотов С.А. Энергетическая классификация Курило-Камчатских землетрясений и проблема магнитуд. М.: Наука. 1972. 116 с.

  11. Чебров В.Н., Дрознин Д.В., Сергеев В.А., Пантюхин Е.А. Система сбора, обработки, хранения и представления сейсмологических данных и результатов их обработки в СП СПЦ, технические средства, алгоритмы и ПО. Труды второй региональной научно-технической конференции / Под ред. Чеброва В.Н. Петропавловск-Камчатский. 2010. С. 332–336.

  12. Чебров В.Н., Дрознин Д.В., Кугаенко Ю.А. и др. Система детальных сейсмологических наблюдений на Камчатке в 2011 г. // Вулканология и сейсмология. 2013. № 1. С. 18–40.

  13. Чебров Д.В., Дрознина С.Я., Сенюков С.Л., Шевченко Ю.В., Митюшкина С.В. Камчатка и Командорские острова. Землетрясения России в 2018 году. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН. 2020. С. 71–81.

  14. Aki K., Koyanagi R. Deep volcanic tremor and magma ascent mechanism under Kilauea, Hawaii // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 1981. V. 86. № B8. P. 7095–7109.

  15. Aki K., Richards P.G. Quantitative seismology. 2002.

  16. Aso N., Ohta K., Ide S. Tectonic, volcanic, and semi-volcanic deep low-frequency earthquakes in western Japan // Tectonophysics. 2013. V. 600. C. 27–40.

  17. Aso N., Tsai V.C. Cooling magma model for deep volcanic long-period earthquakes // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 8442–8456.

  18. Bean C.J., De Barros L., Lokmer I., Métaxian J.P., O’Brien G., Murphy S. Long-period seismicity in the shallow volcanic edifice formed from slow-rupture earthquakes // Nature Geoscience. 2014. V. 7. P. 71–75.

  19. Chouet B.A. Long-period volcano seismicity: its source and use in eruption forecasting // Nature. 1996. V. 380. № 6572. 309 p.

  20. Chouet B.A., Matoza R.S. A multi-decadal view of seismic methods for detecting precursors of magma movement and eruption // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2013. V. 252. P. 108–175.

  21. Dorendorf F., Wiechert U., Wörner G. Hydrated sub-arc mantle: a source for the Kluchevskoy volcano, Kamchatka/Russia // Earth Planet. Sci. Lett. 2000. V. 175. P. 69–86.

  22. Droznin D.V., Shapiro N.M., Droznina S.Ya., Senyukov S.L., Chebrov V.N., Gordeev E.I. Detecting and locating volcanic tremors on the Klyuchevskoy group of volcanoes (Kamchatka) based on correlations of continuous seismic records // Geophysical J. International. 2015. V. 203. № 2. P. 1001–1010.

  23. Gibbons S.J., Ringdal F. The detection of low magnitude seismic events using array-based waveform correlation // Geophys. J. Int. 2006. V. 165. P. 149–166.

  24. Gorelchik V.I., Garbuzova V.T., Storcheus A.V. Deep-seated volcanic processes beneath Klyuchevskoi volcano as inferred from seismological data // J. Volcanol. Seismol. 2004. V. 6. P. 21–34.

  25. Gusev A.A., Melnikova V.N. Relations between Magnitudes: Global and Kamchatka Data // J. Volcanol. Seismol. 1990. V. 6. P. 55–63.

  26. Gutenberg B., Richter C.F. Frequency of earthquakes in California // Bulletin of the Seismological Society of America. 1944. V. 34. № 4. P. 185–188.

  27. Hanks T.C., Kanamori H. A moment magnitude scale // J. Geophysical Research. 1979. V. 84. № 5. P. 2348–2350.

  28. Hensch M., Dahm T., Ritter J., Heimann S., Schmidt B., Stange S., Lehmann K. Deep low-frequency earthquakes reveal ongoing magmatic recharge beneath Laacher See Volcano (Eifel, Germany) // Geophys. J. Int. 2019. V. 216. P. 2025–2036.

  29. Ivanov V.V. Current cycle of the Kluchevskoy volcano activity in 1995–2008 based on seismological, photo, video and visual data. Proceedings of Conference Devoted to Volcanologist Day. Petropavlovsk-Kamchatsky. 27–29 March 2008. P. 27–29.

  30. Iverson R.M., Dzurisin D., Gardner C.A., Gerlach T.M., LaHusen R.G., Lisowski M., Major J.J., Malone S.D., Messerich J.A., Moran S.C., Pallister J.S., Qamar A.I., Schilling S.P., Vallance J.W. Dynamics of seismogenic volcanic extrusion at Mount St. Helens in 2004–05 // Nature. 2006. V. 444. P. 439–443.

  31. Kanamori H. The energy release in great earthquakes // J. Geophysical Research. 1977. V. 82. №. 20. P. 2981–2987.

  32. Kanamori H., Anderson D.L. Theoretical basis of some empirical relations in seismology // Bull. Seism. Soc. Am. 1975. V. 65. P. 1073–1095.

  33. Kurihara R., Obara K., Takeo A., Tanaka Y. Deep low-frequency earthquakes associated with the eruptions of Shinmoe-dake in Kirishima volcanoes // J. Geophysical Research: Solid Earth. 2019. V. 124. P. 13079– 13095.

  34. Lahr J.C., Chouet B.A., Stephens C.D., Power J.A., Page R.A. Earthquake classification, location, and error analysis in a volcanic environment: Implications for the magmatic system of the 1989–1990 eruptions at Redoubt Volcano, Alaska // J. Volcanol. Geotherm. Res. 1994. V. 62. № 1–4. P. 137–151.

  35. Levin V., Shapiro N.M., Park J., Ritzwoller M. H. Seismic evidence for catastrophic slab loss beneath Kamchatka // Nature. 2002. V. 418. № 6899. P. 763.

  36. Main I.G. A characteristic earthquake model of the seismicity preceding the eruption of Mount St. Helens on 18 May 1980 // Physics of the earth and planetary interiors. 1987. V. 49. № 3–4. P. 283–293.

  37. Melnik O., Lyakhovsky V., Shapiro N. M., Galina N., Bergal-Kuvikas O. Degassing of volatile-reach basaltic magmas: source of deep long period volcanic earthquakes // Nature Communication. 2020. V. 11. P. 3918.

  38. Neuberg J.W., Tuffen H., Collier L., Green D., Powell T., Dingwell D. The trigger mechanism of low-frequency earthquakes on Montserrat // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2006. V. 153. P. 37–50.

  39. Nichols M.L., Malone S.D., Moran S.C., Thelen W.A., Vidale J.E. Deep long-period earthquakes beneath Washington and Oregon volcanoes // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2011. V. 200. P. 116–128.

  40. Okada H., Watanabe H., Yamashita H., Yokoyama I. Seismological significance of the 1977–1978 eruptions and the magma intrusion process of Usu volcano, Hokkaido // J. Volcanol. Geotherm. Res. 1981. V. 9. P. 311–334.

  41. Ozerov A.Yu., Firstov P.P., Gavrilov V.A. Periodicities in the dynamics of eruptions of Klyuchevskoi volcano, Kamchatka // Geophys. Monograph. Series. 2007. V. 172. P. 283–291.

  42. Power J.A., Stihler S.D., White R.A., Moran S.C. Observations of deep long-period (DLP) seismic events beneath Aleutian arc volcanoes; 1989–2002 // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2004. V. 138. P. 243–266.

  43. Roman D.C., Cashman K.V. The origin of volcano-tectonic earthquake swarms // Geology. 2006. V. 34. № 6. P. 457–460.

  44. Senyukov S.L. Monitoring and prediction of volcanic activity in Kamchatka from seismological data: 2000–2010 // J. Volcanol. Seismol. 2013. V. 7. № 1. P. 86–97.

  45. Senyukov S. L., Droznina S.Ya., Nuzhdina I.N., Garbuzova V.T., Kozhevnikova T.Y. Studies in the activity of Klyuchevskoi volcano by remote sensing techniques between January 1, 2001 and July 31, 2005 // J. Volcanol. Seismol. 2009. V. 3. № 3. P. 191–199.

  46. Shapiro N.M., Campillo M., Kaminski E., Vilotte J.-P., Jaupart C. Low-frequency earthquakes and pore pressure transients in subduction zones // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. P. 11083–11094.

  47. Shapiro N.M., Droznin D.V., Droznina S.Ya., Senyukov S.L., Gusev A.A., Gordeev E.I. Deep and shallow long-period volcanic seismicity linked by fluid-pressure transfer // Nature Geoscience. 2017a. V. 10. № 6. P. 442.

  48. Shapiro N.M., Sens-Schönfelder C., Lühr B.G., Weber M., Abkadyrov I., Gordeev E.I., Koulakov I., Jakovlev A., Kugaenko Y.A., Saltykov V.A. Understanding Kamchatka’s extraordinary volcano cluster // Eos, Transactions American Geophysical Union. 2017b. V. 98. № 7. P. 12–17.

  49. Shaw B.E. Constant stress drop from small to great earthquakes in magnitude-area scaling // Bull. Seism. Soc. Am. 2009. V. 99. P. 871–875.

  50. Shaw H.R., Chouet B.A. Singularity spectrum of intermittent seismic tremor at Kilauea Volcano, Hawaii // Geophysical Research Letters. 1989. V. 16. № 2. P. 195–198.

  51. Shi Z., Ben-Zion Y. Seismic radiation from tensile and shear point dislocations between similar and dissimilar solids // Geophys. J. Int. 2009. V. 179. P. 444–458.

  52. Stein S., Wysession M. Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure. Blackwell Publishing. 2003. 498 p.

  53. Van Tees H. L. Detection, Estimation and Modulation Theory. Part I. NY: Wiley. 1968. 1151 p.

  54. Vorobieva I., Shebalin P., Narteau C. Break of slope in earthquake size distribution and creep rate along the San Andreas fault system // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43. № 13. P. 6869–6875.

  55. Wech A.G., Thelen W.A., Thomas A.M. Deep long-period earthquakes generated by second boiling beneath Mauna Kea volcano // Science. 2020. V. 368. P. 775–779.

  56. White R.A. Fire and Mud: Eruptions and Lahars of Mount Pinatubo, Philippines / Newhall C.G., Punongbayan R.S. Univ. Washington Press. 1996. P. 307–326.

  57. Yogodzinski G.M., Lees J.M., Churikova T.G., Dorendorf F., Wöerner G., Volynets O.N. Geochemical evidence for the melting of subducting oceanic lithosphere at plate edges // Nature. 2001. V. 409. № 6819. P. 500.

Дополнительные материалы отсутствуют.