Изучение закономерности напряженного состояния в областях подготовки катастрофических землетрясений

2009-2011 гг

Руководитель проекта д.физ.-мат.н. Ребецкий Ю.Л.

Участники проекта:

Сим Л.А.,Михайлова А.В., Маринин А.В., Яковлев Ф.Л., Лукьянов И.В., Погорелов В.В.

Отчет за 2009 г

Все заявленные на этот год задачи выполнены. Создан задел для исследований следующего года.
Выполнена реконструкция напряжений для земной коры Курило-Камчатского региона и Японских островов с использованием метода катакластического анализа (МКА) на основе комплекса сейсмологических, геомеханических и геофизических данных. В рамках алгоритма МКА для оценки величин напряжений использовались сейсмологические данные о сброшенных напряжений в очаге землетрясения Токачи Оки (25.09.2003) и Симуширского землетрясения (15.11.2006). Получены данные не только об ориентации главных осей тензора напряжений, но и данные о величинах напряжений и значении эффективной прочности массивов горных пород Результаты оценки уровня девиаторных напряжений, эффективного сцепления массивов горных пород для земной коры п-ова Камчатки, Курильских и Японских островов являются первыми для исследуемой территории. Также уникальными являются данные о распределении величин напряжений вдоль зон субдукции перед сильными землетрясениям. Выполненные оценки величин напряжений дают диапазон изменения максимальных касательных напряжений в 50-350 бар, а значение эффективной прочности сцепления около 10-12 бар. Характерным является близость оценок эффективного сцепления, полученных для двух разных сегментов субдукционной области Тихоокеанской плиты. Установлено также, что области подготовки этих двух сильнейших за последние годы землетрясений, произошедших в исследуемом районе, имеют особенность, выраженную в поле напряжений. Здесь уровень эффективного всестороннего давления в целом ниже, чем в сопредельных областях. Подобный результат отвечает представлениям о большей эффективности хрупкого разрушения в областях пониженного давления.

Отчет за 2010 г

Все заявленные на этот год задачи выполнены. Создан задел для исследований следующего года. Нами была выполнена реконструкция напряжений, предшествовавших этому землетрясению для всей Южно-Американской субдукционной области (45-10 град. ю.ш). Базисом реконструкции напряжений являлись: каталог механизмов очагов землетрясений о 656 землетрясениях с магнитудами Mw ? 5.0, произошедших на глубинах до 60 км за период с 1 января 1976 г. по 1 июня 2009 г., полученный в рамках «The Global CMT Project» (www.globalcmt.org) и метод катакластического анализа (МКА) механизмов очагов землетрясений, разработанный в лаборатории тектонофизики ИФЗ РАН [Ребецкий, 2007]. По результатам второго этапа реконструкции было установлено, что очаг землетрясения 27.02.2010 с М=8.8, протяженностью около 500 км, расположился в области пониженного уровня эффективного давления (пониженные силы кулонового трения) [Ребецкий, 2005, 2006; Ребецкий, Маринин, 2006], а начало «вспарывания» (эпицентр) землетрясения находилось вблизи места локального повышения эффективного давления, который может рассматриваться как участок задержки сдвигового течения (asperity). Расположенная к северу от реализованного очага область повышенного эффективного давления может рассматриваться как участок коры с повышенными силами кулонового трения, которые остановили продвижение очага в этом направлении. Подобный результат совпадает с результатами анализа области подготовки полученными нами ранее для катастрофического Суматра-Андаманского землетрясения, а также для сильных землетрясений Токачи-Оки 25.09.2003 с М=8.3 и Симуширского 15.11.2006 М=8.3.Для расчета абсолютных величин напряжений и оценки эффективной прочности сцепления были привлечены сейсмологические данные о скалярном сейсмическом моменте Mо и энергии Er, выделившейся в сейсмических волнах (energy radiation), для более ранних землетрясений 2007.08.15 (Mw = 8.0), 2007.11.4 (Mw = 7.8), а также для землетрясения 27 февраля 2010. Используя эти данные, а также полагая значение модуля сдвига 4*10**10 Па, из выражения были рассчитаны значения средних касательных напряжений, сброшенных в очагах этих землетрясений. Они изменялись от 0.2 до 0.4 МПа. Это значение эффективного внутреннего сцепление природных массивов горных пород в масштабе осреднения 50-70 км оказалось в 3 раза меньшим, чем его значение для Курило-Камчасткой субдукционной области, полученное нами ранее.

Отчет за 2011 г

В период 2009-2010 гг выполнялась реконструкция напряжений для земной коры Курило-Камчатского региона и Японских островов с использованием метода катакластического анализа (МКА) на основе комплекса сейсмологических, геомеханических и геофизических данных. В рамках алгоритма МКА для оценки величин напряжений использовались сейсмологические данные о сброшенных напряжений в очаге землетрясения Токачи Оки (25.09.2003) и Симуширского землетрясения (15.11.2006). Получены данные не только об ориентации главных осей тензора напряжений, но и данные о величинах напряжений и значении эффективной прочности массивов горных пород Результаты оценки уровня девиаторных напряжений, эффективного сцепления массивов горных пород для земной коры п-ова Камчатки, Курильских и Японских островов являются первыми для исследуемой территории. Также уникальными являются данные о распределении величин напряжений вдоль зон субдукции перед сильными землетрясениям. Выполненные оценки величин напряжений дают диапазон изменения максимальных касательных напряжений в 50-350 бар, а значение эффективной прочности сцепления около 10-12 бар. Характерным является близость оценок эффективного сцепления, полученных для двух разных сегментов субдукционной области Тихоокеанской плиты. Установлено также, что области подготовки этих двух сильнейших за последние годы землетрясений, произошедших в исследуемом районе, имеют особенность, выраженную в поле напряжений. Здесь уровень эффективного всестороннего давления в целом ниже, чем в сопредельных областях. Подобный результат отвечает представлениям о большей эффективности хрупкого разрушения в областях пониженного давления.
Главным результатом исследований в 2011году являлась реконструкция напряженного состояния для земной коры Японских островов, существовавшего перед катастрофическим землетрясением Тахоку 11.03.2011 (М=9.0). Исходными для реконструкции напряжений данным являлся сейсмологический каталог JMA механизмов очагов землетрясений с 1974 г, насчитывающий около 16000 событий для диапазоном магнитуд М=3-8. Реконструкция направлена на выявление особенностей напряженного состояния перед этим сильнейшим землетрясением. Важным результатом реконструкции явилось изменение характера напряженного состояния на глубинах более 50 км в коре вблизи островов, также режим горизонтального растяжения в коре океанической части литосферы к востоку от желоба. Этот режим охватывал весь диапазон глубин, для которых имелись данные о механизмах очагов землетрясений. В отчетный период также выполнялся анализ результатов реконструкции природных напряжений для коры участка тихоокеанской субдукционной зоны, расположенного вдоль южно-американского континента (побережья Перу, Боливии и Чили). Результаты реконструкции первого этапа МКА показали, что в исследуемой области существуют только два участка коры, где тип напряженного состояния отличается от субдукционного. Это юго-восточная часть Перу и южная часть Чили, где режим напряженного состояния близок к рифтовому (горизонтальное растяжение). Сравнение указанных параметров напряженного состояния этой субдукционной области с Курило-Камчатской субдукционной областью показывает близость их напряженных состояний.
Нами также проводилось сопоставление величин напряжений, полученных при реконструкции напряжений в коре внутриплитовых орогенов, так и для зон субдукции. Таким внутриплитовыми орогенами были Алтае-Саян и Северный Тянь-Шань. Для этих регионов ранее выполнялись оценки величин напряжений [Ребецкий, Кучай, Маринин, 2008; Ребецкий Сычева, 2009]. Полученные для этих регионов значения эффективного сцепления в 2–4 раза превышают величины внутреннего сцепления, рассчитанные аналогичным образом для земной коры вблизи границ океанических литосферных плит.