Вулканология и сейсмология, 2021, № 2, стр. 29-38

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня пространственные изменения поверхности Земли уверенно контролируются средствами глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) с субсантиметровой точностью. Наблюдательная сеть ГНСС, обеспечивающая информацией геодинамические исследования, содержит около двух десятков тысяч постоянно действующих станций. Наиболее плотное пространственное распределение этих станций характерно для территорий Северной Америки, Японского архипелага и Европы. Некоторые станции функционируют уже более трех десятилетий, и их значительное число покрывает наблюдениями более чем десятилетний интервал. Благодаря открытому сервису Геодезической лаборатории Невады (США) сегодня доступны для исследователей временные ряды точных пространственных координат постоянно действующих станций ГНСС с временным разрешением в одни сутки [Blewitt и др., 2018]. В регионах высокой сейсмической активности эти станции позволяют отслеживать изменения земной поверхности на всех стадиях сейсмического цикла, во временном интервале, охваченном непрерывными наблюдениями. Сегодня во многих случаях удается исследовать процесс накопления деформаций перед сильными событиями на завершающей стадии межсейсмической фазы на протяжении нескольких лет и даже первых десятилетий. Это обстоятельство позволяет обнаруживать и изучать деформационные предвестники [Kaftan, Melnikov, 2018], а также пространственную миграцию деформаций, провоцирующих и сопровождающих сейсмическое событие [Kaftan, Melnikov, 2019]. Можно говорить о том, что достаточно плотные и обширные сети непрерывных ГНСС станций позволяют наблюдать и изучать сейсмо-деформационный процесс на стадиях сейсмической подготовки, разрядки и релаксации, представляя тем самым эмпирическую основу для разработки моделей прогнозирования крупных и сильных сейсмических событий.

На Западном побережье Северной Америки произошло уже несколько сильных и крупных землетрясений в пределах достаточно плотных ГНСС сетей. Перед сейсмическими событиями накоплены измерительные данные на интервалах более 10 лет. Поэтому интересным экспериментальным районом явилось место возникновения серии землетрясений Риджкрест 2019 г.

Землетрясения с магнитудами M_w = 6.4 и M_w = 7.1 произошли в июле 2019 г. одно за другим с интервалом 34 часа в нескольких километрах друг от друга вблизи города Риджкрест округа Керн, Калифорния, США. Примечательно, что в 1995 г. в непосредственной близости от эпицентров новых землетрясений произошел умеренный толчок магнитудой M_w = 5.8. Немногим более чем в ста километрах к северу от эпицентров современных событий в 1872 г. произошло сильное землетрясение с M_w = 7.4.

По мнению авторов [Wang et al., 2020], крупное землетрясение M_w = 6.4 является форшоком более сильного события.

Эта серия землетрясений изучена с использованием ГНСС наблюдений в ряде публикаций [Matiolli et al., 2019; Wang et al., 2020]. В то же время пока что не встречаются публикации с анализом деформаций земной поверхности на более чем десятилетнем временном интервале и на территории большего охвата.

ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Опыт анализа движений и деформаций земной поверхности в районах возникновения крупных и сильных землетрясений, а также в зонах активного вулканизма [Кафтан, Родкин, 2019; Kaftan, Melnikov, 2019] показал, что размеры контрольных сетей не должны быть слишком малы и ограничиваться исключительно размерами эпицентральных зон форшоков и афтершоков главных событий. Зачастую локальные геодезические наблюдения в непосредственной близости от эпицентральных зон и внешних проявлений вулканизма не полностью контролируют соответствующий деформационный процесс, упуская из вида его важные стороны. Контрольные сети прогностического назначения должны покрывать территории радиусом на порядок больше длины сейсмического разрыва, характерной для события соответствующей магнитуды [Ризниченко, 1985].

Для изучения сейсмо-деформационного процесса нами были использованы данные непрерывных GPS-наблюдений 51-й станции, с суточным интервалом регистрации [Blewitt и др., 2018]. Временные ряды координат наблюдательных пунктов были получены с использованием стратегии точного определения местоположения – Precise Point Positioning (PPP), с использованием точных эфемерид и поправок часов спутников GPS, а также другой точной продукции Международной службы Глобальных навигационных спутниковых систем (International GNSS Service). Используемые временные ряды содержат среднесуточные определения координат в системе отсчета IGS14. Точность определения пространственного положения пункта для данной стратегии оценивается как субсантиметровая. Разрывы в наблюдениях заполнялись значениями координат, интерполированными с помощью сплайнов Эрмита. Конфигурация контрольной геодезической сети представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Конфигурация конечных элементов сети непрерывно действующих GPS-станций (черные треугольники). Тектоническая обстановка по информации Базы данных о четвертичных разломах Геологической службы США (USGS) Quaternary fault database): красные линии – современные сейсморазрывы возрастом активизации менее 150 лет; коричневые линии – позднечетвертичные разломы моложе 15 000 лет; черные кривые – недифференцированные четвертичные разломы моложе 1.6 млн лет. 1 – разлом Аш Хилл, 2 – разломная зона Панаминт Велли, 3 – разломная зона Гэрлок, 4 – разломная зона Блеквотер. Эпицентры сейсмических событий: белые звезды – исторические землетрясения; красные звезды – сильное и крупное землетрясения Риджкрест; красные окружности – умеренные землетрясения последнего десятилетия; синяя восьмиконечная звезда – расположение Вулканического поля Косо; координатная сетка на рамке рисунка дана в универсальной поперечной проекции Меркатора (UTM).

Область покрытия территории наблюдательной сетью имеет диаметр около 250 км и включает в себя эпицентры как современных, так и упомянутых выше исторических событий.

Начальная эпоха определения движений и деформаций была отнесена примерно на 13 лет до серии землетрясений Риджкрест (июль 2006 г.), а конечная – на месяц (август 2019 г.) после таковых.

АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В СВЯЗИ С СЕЙСМИЧНОСТЬЮ РАЙОНА

На каждые сутки наблюдений были получены цифровые модели распределения горизонтальных деформаций полного сдвига и дилатации. Заметим, что в анализе использованы только горизонтальные деформации, в связи с особенностями механизма взаимодействия Северо-Американской и Тихоокеанской плит в данном районе.

Для вычисления деформаций конечных элементов был использован тензор горизонтальной деформации (оси n и e направлены на север и восток)

соответственно, где $\frac{{\partial {{u}_{n}}}}{{\partial e}} + \frac{{\partial {{u}_{e}}}}{{\partial n}} = {{\gamma }_{{ne}}} = {{\gamma }_{{en}}}$ – относительный сдвиг.

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

Для изучения пространственно-временнóго распределения горизонтальных деформаций были рассчитаны следующие инвариантные характеристики.

1) Главные деформации ε₁и ε₂

2) Полный сдвиг $\gamma = {{\left( {{{{({{\varepsilon }_{n}}--{{\varepsilon }_{e}})}}^{{\text{2}}}} + \gamma _{{ne}}^{2}} \right)}^{{\frac{1}{2}}}}.$

3) Дилатация Δ = ε₁ + ε₂.

Компоненты деформаций были вычислены по методу, описанному Wu et al. [2006].

Ввиду существенной неравновеликости конечных элементов (см. рис. 1), значения деформаций были приведены к средней площади треугольника сети [Kaftan, Melnikov, 2018]. Объединение временнóй последовательности полученных моделей в ускоренную кинематическую визуализацию сейсмо-деформационного процесса [https://www. researchgate.net/publication/343577013_Ridgecrest_ total_shear_strain_and_seismicity_evolution] позволило обнаружить и изучить его принципиальные особенности. Начало образования экстремума сдвиговой деформации (рис. 2б) расположено вблизи вулканического поля Косо [Simakin, Ghassemi, 2007], где с 2006 г. продолжается серия слабых землетрясений с М < 5 и, возможно, также связано с умеренным землетрясением M_w = 5.2, произошедшим за 10 лет до событий Риджкрест 2019 г. примерно в 70 км к северу от их эпицентров (см. рис. 2а). Это землетрясение сопровождалось серией более слабых толчков. Область аномального сдвига распространялась в направлении будущих более сильных землетрясений и своим южным флангом достигла их положения к моменту разрывообразования (см. рис. 2в, г). Деформация развивалась также и на восток, затрагивая зоны разломов Аш Хил и Панаминт Велли, проявляющих механизм правостороннего смещения по простиранию. Развитие деформации после главных сейсмических событий и их афтершоков показано на рис. 2г–е.

Рис. 2.

Распределение деформации полного сдвига перед землетрясениями Риджкрест 2019 г. Сечение изолиний деформации 2 × 10^–6. Легенду разрывных нарушений и сейсмических событий см. рис. 1. Черные окружности – эпицентры слабых землетрясений c M < 5. Точность определения деформаций не хуже 10^–7.

Наблюдаемые визуально эволюция рассчитанных деформаций земной поверхности и распределение эпицентров зарегистрированных землетрясений, по данным архива Национального центра информации о землетрясениях Геологической службы США [Benz, 2017], демонстрируют их взаимную согласованность. При этом наблюдается определенное сходство с поведением деформации полного сдвига перед землетрясением Напа, M_w = 6.01, 2014 г. (Калифорния, США), изученном в работе [Kaftan, Melnikov, 2019]. В случае землетрясения Напа деформационная аномалия полного сдвига, величиной 0.27 × 10^–5, образовалась примерно в 100 км южнее будущего крупного события в результате пары умеренных толчков, произошедших практически одновременно на южном окончании разлома Хайвард. Деформационная аномалия распространялась вдоль разлома на север со скоростью около 20 км/год.

Достигнув места расположения эпицентра землетрясения Напа, эта аномалия преобразовалась в косейсмический сдвиг величиной 1.5 × 10^–5. Такое поведение указало на возможность проявления триггерного эффекта, спровоцировавшего крупное землетрясение. В случае землетрясений Риджкрест узконаправленный “поток” деформации, имевший место в связи с землетрясением Напа, не наблюдается. Виден “размазанный” деформационный фронт, распространяющийся как на юг, так и на восток от Вулканического поля Косо (см. рис. 2в, г). Но в данном случае, в отличие от землетрясения Напа, отсутствует явно выраженный подвижный разлом, играющий роль проводника для перемещения фронта деформации полного сдвига. Геометрически нелинейная форма распространения аномалии сдвига в случае событий Риджкрест, по-видимому, связана с наличием в ее центре термального поля Косо, имеющего множество мелких разрывных нарушений над общим магматическим очагом [Simakin, Ghassemi, 2007]. Вероятно, этим объясняется отличие формы мигрирующего “потока”, а также меньшая величина деформации по отношению к случаю землетрясения Напа. На переднем крае фронта она составляет порядка 0.18 × 10^–5. Скорость ее распространения около 7 км/год. То есть в три раза медленнее, чем в случае землетрясения Напа. Это замедление также предположительно можно объяснить отсутствием подвижного квазилинейного разрывного нарушения по направлению распространения деформационного фронта, способствующего быстрому перемещению деформации сдвига. Косейсмический полный сдвиг в этом случае достигает 3 × 10^–5. Он вдвое превысил соответствующую оценку для землетрясения Напа с M_w = 6.01, по энергии на порядок меньшего, чем главное событие серии Риджкрест. Учитывая вышесказанное, мы можем предположить определенное сходство эволюции сейсмо-деформационного процесса для обоих случаев.

Эволюцию дилатации мы можем отследить на аналогичном видео, а также на рис. 3, по нескольким его наиболее существенным кадрам. Ввиду того, что смещения по разрывным нарушениям данного региона представляют собой правосторонний сдвиг, обусловленный тенденциями взаимных движений Тихоокеанской и Северо-Американской тектонических плит, деформация дилатации играет второстепенную роль и является подчиненной деформации сдвига. На это показывают диполи дилатации (пары смежных экстремумов растяжения–сжатия), образованные за сутки перед сильными событиями (см. рис. 3в–д), а не за годы, как деформация сдвига. Экстремумы дилатации образуются фронтами сдвиговой деформации по обе стороны от образованного нового сейсмического разрыва, маркируемого сильными, умеренными и слабыми событиями (см. рис. 3д), сжимая и растягивая земную кору по обе стороны от разлома. Эти особенности показывают роль деформаций сдвига и дилатации, регистрируемых средствами ГНСС, в подходах к прогнозированию сильных сейсмических событий [https:// www.researchgate.net/publication/344562745_ Thirteen-year_evolution_of_the_dilatation_de for-mation_before_the_Ridgcrest_earthquake_sequence].

Рис. 3.

Распределение деформации дилатации перед землетрясениями Риджкрест 2019 г. Сечение изолиний деформации 2 × 10^–6. Легенду разрывных нарушений и сейсмических событий см. рис. 1. Черные окружности – эпицентры слабых землетрясений c M < 5. Точность определения деформаций не хуже 10^–7.

ПРОВЕРКА ВОЗМОЖНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТА БУДУЩЕГО СИЛЬНОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

С целью обнаружения очагов будущих сильных землетрясений проводятся исследования особенностей механизмов происходящих землетрясений и пространственно-временнóго распределения их гипоцентров. Работ в данном направлении довольно много. Они весьма разноплановые. Поэтому мы рассмотрим лишь те из них, которые имеют отношение к изучаемому району и, собственно, серии землетрясений Риджкрест, а также предложим свой подход как дополнение к общей совокупности комплексных исследований.

Геофизиками активно разрабатываются и развиваются методы распознавания мест сильных землетрясений с использованием средств дискретного математического анализа. Применение одного из таких методов позволило считать область, охватывающую эпицентры событий Риджкрест, как зону возможного землетрясения с М > 6.5 [Дзебоев и др., 2018] за год до его возникновения. Оба главных события серии Риджкрест попали в эту зону. Примененный при этом метод детально описан в работах [Гвишиани и др., 2013, 2016]. Отметим, что распознанные таким образом места могут являться объектами исследования движений и деформаций земной поверхности в прогностических целях, как это делается в нашем случае.

В работах [Bondur et al., 2017; Бондур и др., 2020] на примере двух сильных землетрясений в Южной Калифорнии, одно из которых произошло именно в районе Риджкрест, показано, что разработанный авторами метод, основанный на геомеханической модели, может быть использован для мониторинга сейсмоопасных территорий с целью прогнозирования сильных землетрясений. При этом осуществляется контроль за миграцией максимумов вариаций градиентов напряженного состояния земной коры на протяжении нескольких месяцев. Авторами [Бондур и др., 2020] обнаружена локальная аномалия напряженного состояния земной коры в пределах первых десятков километров от сильного землетрясения Риджкрест с М = 7.1 за полгода до него.

В работе [Nanjo, 2020], наряду с сейсмологическими и геодезическими наблюдениями, с целью предсказания расположения очага будущего сильного события предлагается отслеживать пространственно-временнýю эволюцию значений b-value. Показано, что начало разрушения в области низких значений b-value, свидетельствующих о высоких напряжениях, имело место для обеих сильнейших событий серии Риджкрест. Эволюция b-value после землетрясения с M_w = 7.1 показала, что существует еще одна зона с низким значением этой характеристики, которая избежала сейсморазрыва и находится вблизи разлома Гарлок, где происходили крупные и сильные исторические землетрясения. Авторы обсуждают сценарий дальнейшего проявления сейсмичности, которая могла бы повлиять на активность разлома Гарлок.

Авторы работы [Stein, Toda, 2020] рассматривают сценарий последующей сейсмической активизации разлома Сан-Андреас. Они полагают, что сейсмическая активность на разломе Гарлок, который распространяется от района событий Риджкрест в направлении разлома Сан-Андреас, может спровоцировать сильное землетрясение в его пределах. Это обстоятельство рассматривается в качестве сценария для относительно продолжительного раннего предупреждения о вероятном землетрясении жителям Лос-Анджелеса.

В связи с вышеупомянутыми сценариями рассмотрим результаты проведенных нами исследований.

Наблюдения за деформационным процессом на протяжении десятилетий перед сильными сейсмическими событиями несут информацию не только о миграции деформационных фронтов, которые могут провоцировать снятие напряжений во время реализации событий, но также и показывают области наибольших напряжений, где следует искать места возникновения будущих сильных коровых землетрясений, разрывы от которых выходят на дневную поверхность. Следуя гипотезе упругой отдачи Рейда [Савиных и др., 2013], местом будущего события является “запертая” зона активного разлома, иначе говоря, зона минимальных деформаций в области подготовки землетрясения. Такую зону в сейсмоактивной области можно картировать по величинам полных смещений пунктов ГНСС, представляющих собой длины векторов горизонтальных смещений. Чем меньше длина вектора смещения, тем менее подвижна территория его расположения. В сейсмоактивной области место минимальных движений, исходя из модели упругой отдачи, является местом максимальных напряжений. И как показано ниже, оно не обязательно бывает связано с картированными сейсмогенерирующими разломами. Рассчитав длины векторов смещений, мы получили цифровые модели их пространственного распределения на каждые сутки и объединили их в видеофильм – визуализацию деформационного процесса [https://www.researchgate.net/publication/ 344174534_Thirteen-year_evolution_of_the_low-displacement_zone_before_the_Ridgecrest_earthquake_ sequence]. Принципиальные кадры фильма представлены на рис. 4. Первый кадр (см. рис. 4а) соответствует моменту возникновения умеренного землетрясения, явившегося, по нашему предположению, пусковым. На этот момент за 3.5 г. наблюдений накоплены лишь первые сантиметры смещений. Тем не менее уже видна их локализация в вытянутой примерно с севера на юг области возникновения сильнейших сейсмических событий (темно-коричневая зона). По мере накопления наблюдений, зона сужается и за сутки до возникновения сильных событий (см. рис. 4в) она становится достаточно узкой, шириной 20–50 км. Такую особенность демонстрируют также пространственно-временны́е изменения векторов горизонтальных смещений в районах подготовки других сильных землетрясений [Kaftan, Melnikov, 2018]. Вблизи этой зоны происходит серия землетрясений Риджкрест (см. рис. 4г–е). Заметим, что на протяжении всего интервала наблюдений эта зона не является однородной. Она нарушается сейсмическими событиями малой и умеренной величины. Так на рис. 4а–г, внутри “запертой” зоны развивается подвижная светлая область – зона вулканического поля Косо, внутри которой происходят слабые сейсмические события, согласованно с ее размерами и формой. Их число внутри области возрастает, увеличивая подвижность этой территории. Мы бы сочли эти землетрясения форшоками событий Риджкрест, но они удалены от положений их эпицентров на десятки километров. В то же время они находятся в области миграции аномальной деформации полного сдвига (см. рис. 2в–д), т.е. обуславливают эту подвижность.

Рис. 4.

Распределение полных смещений перед землетрясениями Риджкрест 2019 г. Сечение изолиний полного смещения – 2 см. Стрелки представляют собой векторы горизонтальных смещений пунктов. Легенду разрывных нарушений и сейсмических событий см. рис. 1. Черные окружности – эпицентры слабых землетрясений c M < 5. Точность определения полного смещения не хуже 5 мм.

После реализации крупных и сильных событий область минимальных смещений разрушается, образуя на полученных изображениях белые пространства (см. рис. 4г–е). Эти проявления демонстрируют возможность регистрации области ожидания сильных сейсмических событий аналогичного типа, там, где наблюдаются интенсивные сдвиговые деформации земной поверхности. Остается понять, как в таких “напряженных” областях, вытянутых на сотни километров, можно более точно локализовать место будущего сильного события. Гипотеза упругой отдачи предоставляет такую возможность, предполагая, что землетрясение происходит в области минимальных движений, но максимального упругого искривления земной поверхности по профилю, перпендикулярно пересекающему запертую зону [Савиных и др., 2013]. Такой профиль на своих окончаниях имеет максимальные движения ГНСС станций в противоположных направлениях. Он показан на рис. 4 белой прямой линией, соединяющей наиболее подвижные пункты (TIVA на северо-востоке и EDPP на юго-западе) в исследуемой области, имеющие наибольшие векторы смещений в противоположных направлениях. Можно видеть, что серия землетрясений Риджкрест произошла на удалении первых десятков километров от точки пересечения вытянутой зоны минимальных движений (максимальных напряжений) и линии наибольшего искривления земной поверхности. Заметим, что зона минимальных движений не была стабильной во времени. Она нарушалась слабыми землетрясениями, предшествующими более сильным событиям. Это осложняло фиксацию места будущего землетрясения.

ДИСКУССИЯ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имея ввиду, что совокупность эпицентров форшоков и афтершоков исследуемых событий образует узкий вытянутый кластер, как видимое продолжение сейсморазрыва 1872 г., протяженностью около ста км, можно предполагать, что это историческое сейсмическое событие генетически связано с серией землетрясений Риджкрест и, вероятно, их последовательность формирует единый сейсмический цикл продолжительностью ~150 лет.

Существование медленных деформационных волн теоретически предсказывалось, например, в работах [Sherman, 2013; Bykov, 2018]. Физическое моделирование деформационных волн в сдвиговой зоне осуществлено в работе [Борняков и др., 2018]. В платформенных зонах деформационные волны были зарегистрированы во второй половине прошлого столетия по данным высокоточного нивелирования [Kuz’min, 2012]. Настоящее исследование демонстрирует существование волн сдвиговых деформаций в сейсмоактивных районах и характеризует их роль в сейсмическом процессе. Сходство развития мигрирующих деформаций для случаев землетрясения Напа (2014 г.) и серии землетрясений Риджкрест (2019 г.) позволяет предполагать наличие триггерного эффекта, способствующего сбросу критических напряжений, – поверхностной деформационной волны как в первом, так и во втором случаях.

Достаточно плотные сети непрерывно действующих ГНСС станций представляют важную информацию о развитии сейсмо-деформационного процесса. Модели площадного распределения полного смещения ГНСС пунктов и визуализации их временной эволюции позволяют продемонстрировать возможность обнаружения места будущего сильного землетрясения за годы до него при условии непрерывных наблюдений не менее 10 лет до события.

В отношении сценариев распространения сейсмогенерирующих напряжений на разлом Гарлок и дальнейшего влияния этих напряжений на разлом Сан-Андреас можно предположить следующее.

Как показывают рис. 4д, е, после серии Риджкрест напряжения мигрировали на юг, по направлению продолжения общей зоны повышенных напряжений, но также и на юго-запад, охватывая Гарлок и соседний разлом к северо-западу от него. Эта особенность свидетельствует в пользу правдоподобности сценариев сейсмической активизации разломов Гарлок и, в последствии, Сан-Андреас.