Предварительный анализ перемещений станций GPS на Камчатке: скорости плит и геодезический предвестник землетрясения (стр. 1 из 4)
.
Е.И.Гордеев, В.Е.Левин, В.Ф.Бахтияров, А.А.Гусев, В.М.Павлов, В.Н.Чебров и М.Касахара
Начиная с 1996 г. на Камчатке ведет непрерывную регистрацию сеть из девяти станций GPS. Данные 1996-1999 гг. использованы для определения направлений и скоростей движения станций. На расстояниях до нескольких сот километров выявлены деформации, связанные с сильным Кроноцким землетрясением 5 декабря 1997 г. (Mw=7,8). Они проинтерпретированы в рамках модели упругого полупространства. За полмесяца до этого события на станциях, ближайших к будущему очагу, возникли перемещения заметной амплитуды (предвестник). Перемещения примерно соответствуют "медленному землетрясению"типа двойного диполя, с Mw =7,7, возникшему в зоне форшоков события 5 декабря 1997 г. Также обнаружены четкие косейсмические скачки перемещения. Они прекрасно согласуются с Гарвардским СМТ-решением для очага 5 декабря 1997 г. Имеются и постсейсмические деформации, продолжавшиеся также полмесяца или долее. Они несколько превышают косейсмические и хорошо коррелированны с ними. Это указывает на продолжение движения в пределах уже сформированного очага. Амплитуда постсейсмических движений соответствует источнику с Mw =7,9. Полное перемещение за период с 15.11.1997 г. по 25.12.1997 г. дает суммарный сейсмический момент, соответствующий Mw =8,0. Вдобавок к упомянутым движениям в конце 1997 г., данные показывают перемещение пунктов в 1997-1999 гг. с приблизительно постоянной скоростью. Это движение отражает как относительное движение условно-жестких плит, так и непрерывно изменяющуюся во времени упругую реакцию их краев на межплитовое сцепление (каплинг). Получены первые предварительные оценки для относительных скоростей Северо-Американской, Охотской и Берингийской плит по данным станций, относительно удаленных от наиболее активных границ плит. Движение станций, расположенных вблизи этих границ, качественно согласуется с ожидаемым по причине их сцепления (каплинга) с Тихоокеанской плитой. По крайней мере, в одном случае выявлено четкое различие обсуждаемых скоростей до и после 05.12.1997 г. Этот факт может указывать на изменение параметров каплинга или на реологические эффекты в мантии.
Введение
Исследование деформации островных дуг может прояснить ряд до сих пор мало изученных вопросов современной тектоники плит. В районе Камчатки находится тройное сочленение плит первого порядка, здесь соединяются Тихоокеанская, Североамериканская и Евроазиатская плиты. При более детальном рассмотрении необходимо учитывать присутствие Охотской и Берингийской субплит, причем Охотская является частью Евроазиатской крупномасштабной плиты, а Берингийская - частью соответствующей крупномасштабной Североамериканской плиты. Таким образом, при детальном рассмотрении имеются два сопряженных тройных сочленения: Тихоокеанской, Берингийской и Охотской плит в районе стыка Курило-Камчатского и Алеутского глубоководных желобов, а также Охотской, Берингийской и Североамериканской плит на суше к северу от полуострова Камчатка. Относительно большая доля суши в этой части планеты дает возможность удобного проведения геодезических измерений деформации поверхности. Высокая скорость субдукции Тихоокеанской плиты (около 80 мм/год [3,4]) вызывает мощную сейсмичность и дает возможность оценить скорость движения плит даже по краткосрочным наблюдениям.
 |
| Рис. 1 |
В течение периода наблюдений произошло крупное субдукционное межплитовое Кроноцкое землетрясение в районе Камчатки (Mw =7,8; 5 декабря 1997 года). Его зона афтершоков расположена в верхней части континентального склона Камчатки вблизи полуострова Кроноцкий и охватывает зону приблизительно 220x110 км вдоль направления островной дуги (ССВ, ЮЮЗ). Гипоцентр афтершоков, определенный местной сейсмической сетью, определяет в качестве действующей плоскость разрыва, наклоненную под 23o ЗСЗ под Камчатку. Землетрясение предварялось плотным форшоковым роем, который начался за двое суток до землетрясения вблизи ССВ оконечности афтершоковой зоны. Очаговый разрыв возник около этой точки и распространился приблизительно на 180 км к ЮЮЗ со скоростью 4 км/с 2. Наблюдения GPS обнаружили хорошо выраженные пресейсмические, косейсмические и постсейсмические деформации, связанные с этим событием. Они и обсуждаются в данной статье. Высокие скорости деформации наблюдались также в течение последующих двух лет. Анализ деформаций дает предварительные оценки относительных скоростей движения плит в упомянутой зоне стыка четырех плит. Данные показывают наличие упругой реакции Охотской и Берингийской плит. Это означает достаточно высокий уровень их сцепления (каплинга) с субдуцирующей Тихоокеанской плитой. Впервые обнаружена большая величина медленной деформации перед крупным субдукционным землетрясением.
Обработка данных
 |
| Рис. 2 |
Сеть GPS на Камчатке действует с 1996 года. В настоящее время она включает девять пунктов постоянных наблюдений деформации (рис.1). В каждом пункте размещен приемник типа Ashtec Z12 или Topcon Z12 с антенной ASHDMR. Непрерывный поток данных постоянно накапливается в памяти приемника и затем ежедневно извлекается в местную ЭВМ. Данные ежедневно передаются по телефонным линиям в центральную ЭВМ или записываются на ZIP-дискету. Все данные обрабатываются централизованным образом системой обработки GAMIT/GLOBK разработки Массачусетского Технологического университета. В результате обработки данных получаются стандартные 24-х-часовые средние положения каждого пункта. Затем вычисляются относительные положения станции при условно фиксированной станции PETP (рис.2); их номинальная точность составляет приблизительно 3-4 мм для горизонтальной компоненты, которая используется далее.
Визуальное рассмотрение временных рядов данных показывает ряд характерных черт. Некоторые из них можно относительно надежно идентифицировать как технологические ошибки или искажения, другие явно представляют собой реальные относительные движения станции, а некоторые нельзя классифицировать надежно, или же они являются смесью обоих типов. Наиболее легко идентифицируемые ошибки - это короткие скачкообразные односторонние отклонения типа импульсов, длительностью от 1 до 20 дней. Однако, некоторые короткие отклонения являются постепенными, а некоторые выглядят биполярным образом. В общем, однополярное перемещение с четким возвратом к медленно сползающей нулевой линии можно относительно надежно исключить как истинное проявление перемещения станции. Однако, этот критерий действует однозначным образом только в ограниченном количестве случаев. С другой стороны, некоторые свойства данных являются очевидными и коррелируются между компонентами и между станциями, и они, по-видимому, отражают реальное относительное перемещение станции.
Анализ наблюденного ряда данных
 |
| Рис.3 |
После рассмотрения полного временного ряда средних положений станций за каждые 24 часа, мы сочли реальными следующие два типа временных вариаций: 1 - долговременный дрейф с приблизительно постоянной скоростью и 2 - сигналы ограниченной длительности, имеющие вид мгновенной или растянутой ступеньки, и, по-видимому, связанные с упомянутым сильным землетрясением (М=7,8, 05.12.1997), которое произошло в пределах сети станций GPS (рис.2). Все вариации второго рода произошли в течение интервала +/-1 месяц от момента этого сильного землетрясения. Среди них выделяются: 2а - косейсмические скачки; 2b - в основном монотонный постсейсмический сигнал; и 3 - монотонные или более сложные пресейсмические сигналы. Следует отметить, что все эти вариации в общем имеют ненулевое суммарное смещение (не имеют характера импульсов), и поэтому есть больше шансов на то, что они являются реальными. Все численные оценки для этих вариаций делаются на неформальной основе, поскольку мы не имеем в нашем распоряжении методики, которая позволила бы нам отфильтровать ошибки автоматическим, статистически обоснованным образом. Далее приводятся векторные схемы вариаций (рис.3, 4 и 5), а также соответствующие временные графики (рис.6), по которым читатель может проверить обоснованность нашего выбора.
 |
| Рис.4 |
Рис.2 показывает полный временной диапазон наблюдений. Для интервалов данных, которые превышают по длительности 15 месяцев, мы сочли возможным оценить среднюю скорость дрейфа (табл.1). Для двух станций KMS и KLU это можно сделать как до, так и после события. Однако, для KMS не видно изменений скорости в декабре 1997 г., и приемлема общая оценка скорости, единая как для периода до землетрясения, так и после. Скорость перемещения после землетрясения может быть оценена для станций TIL, TIG, ESSO, KLU и BKI. Перед сильным землетрясением имеются также единичные измерения в течение примерно 18 месяцев до него для станций ESSO и KBG, по которым получены оценки скорости относительно низкого качества.
Рис.6 показывает интервалы времени +/-55 дней от сильного землетрясения 05.12.1997 г. для двух горизонтальных компонент (N, E) каждой из шести станций BKI, KBG, KLU, ESSO, TIG и MA1. Для TIL и KMS данные за период, близкий к сильным землетрясениям, отсутствуют. Исходные 24-х-часовые средние показаны крестиками. Для подавления единичных и двойных выбросов применялось сглаживание скользящей медианой по пяти точкам. Следует отметить, что большое количество фиктивных аномалий с длительностью от 3 до 10 дней или более, подобная процедура подавить не в состоянии, и они могут быть идентифицированы только субъективно. Медианная фильтрация останавливалась за три точки до и продолжалась через три точки после интервала, содержащего сильное землетрясение. Для этого конкретного интервала данные опущены. Последняя точка исходных данных перед и первая точка после этого интервала дополнительно помечена (квадрат).