Compensatory movements in the source zone of the 2023 high-magnitude earthquake swarm in Herat province, Afghanistan

Толық мәтін

ВВЕДЕНИЕ

Косейсмические и постсейсмические движения, временной ход сейсмической активности и перераспределение напряжений в очаговой области сильного землетрясения давно рассматриваются в сейсмологии как ключ к пониманию физики очага. Попытки обнаружить закономерности развития очаговой области рассматриваются также в контексте возможного возникновения сильного афтершока и, шире, прогноза сильного землетрясения вообще.

Исторически первая выявленная закономерность относится к изменению числа афтершоков во времени и была сформулирована более 100 лет назад – закон Омори [Omori, 1894]. В некоторых публикациях выражается сомнение в универсальности закона Омори и предлагается относиться к нему как к некоторой статистической закономерности [Татевосян, Аптекман, 2008]. Но большинство исследователей признает глубокий физический смысл, лежащий в основе закона [Смирнов, Пономарев, 2020], попытки его физического осмысления продолжаются до сих пор [Баранов, Шебалин, 2019]. Закон Омори не единственный, описывающий характер спадания сейсмической активности в очаговой зоне. М. Бот полагал, что магнитуда сильнейшего афтершока, как правило, меньше магнитуды М главного толчка на величину ∆М = 1.2 [Båth, 1965]. Отметим здесь, что оригинальный эмпирический закон Бота был обобщен с учетом фактора времени до динамического закона Бота, который устанавливает, что разность магнитуды сильнейшего афтершока и главного толчка можно аппроксимировать логистическим распределением, которое смещается со временем в область меньших магнитуд [Баранов, Шебалин, 2018].

 

Рис. 1. (а) – Механизм очага землетрясения 08.06.1993 г. (красный), предшествующих (серый цвет) и последующие в течение полугода землетрясения (черный цвет) (Global CMT catalog. URL: http://www.globalcmt.org. Последнее скачивание в 2023 г.); (б) – землетрясение 05.12.1997 г. Легенда аналогично (а).

 

К первым попыткам физического осмысления афтершоковых серий на основании механизма очагов следует отнести работу [Кузнецова и др., 1976]. В последовательности афтершоков Дагестанского землетрясения 1970 г. выделены два типа афтершоков: с механизмами очага, схожими с механизмом главного толчка, и с отличными от него. Первые были названы афтершоками развития, вторые – афтершоками последействия. Была предложена модель, объясняющая эти механически различные типы афтершоков [Kostrov, Das, 1988]. Согласно модели, часть афтершоков разрушает участки разлома, которые остались ненарушенными в результате подвижки при главном толчке, а часть афтершоков происходит вследствие перераспределения напряжений при главном событии. Первые, как правило, имеют механизм, схожий с механизмом главного толчка (афтершоки развития). Вторые – происходят преимущественно в краевых частях магистрального разлома, поскольку наибольшие изменения напряжений концентрируются на конце трещины (афтершоки последействия). Их механизм не обязательно совпадает с механизмом главного толчка. В статье [Татевосян, Аптекман, 2008] показано, что эти два типа афтершоков разделены не только в пространстве, но и во времени. В начале афтершоковой серии преобладают афтершоки развития, за которыми в дальнейшем следуют афтершоки последействия.

Модель образования афтершоков развития и последействия выглядит физически обоснованной, но само явление не носит универсальный характер. Афтершоки сильнейших неглубоких землетрясений на Камчатке чаще наследуют тип движения главного толчка. Для примера показаны механизмы двух сильных неглубоких (h < 80 км) землетрясений с M_w ≥ 7.5 – 08.06.1993 г. и 05.12.1997 г. (рис. 1). Механизмы главных толчков и их афтершоков практически идентичны. Но совершенно иная картина для землетрясения 15.01.2009 г. M_w = 7.4 (рис. 2). Представленные механизмы – это решения тензора центроида момента по методике [Dziewonski, Woodhouse, 1983], которая принципиально отличается от методики определения механизма по знакам первых вступлений, к которой следует относиться осторожно. Как было показано в работе [Aki, Richards, 1980], есть большая вероятность ошибочного определения знака первого движения Р-волны при высоком уровне микросейсмического шума, особенно при использовании аналоговых сейсмограмм.

 

Рис. 2. Механизм очага землетрясения 15.01.2009 г. (красный) и его сильнейшего афтершока в течение полугода (Global CMT catalog. URL: http://www.globalcmt.org. Последнее скачивание в 2023 г.).

 

Афтершоковая серия занимает довольно продолжительное время. Как правило, это временной масштаб нескольких месяцев. Развитие разрыва в очаговой области может быть прослежено и для главного толчка. Большие землетрясения обычно состоят из субисточников, разнесенных во времени. В этом случае временной масштаб соответствует десяткам секунд. Многоактная модель с субисточниками строится в результате решения обратной задачи, а именно, минимизацией разности волновых форм от модели с наблюденными. В процессе построения волновых форм используется большое количество параметров, включая число субисточников, которые задаются исследователем. Поэтому полученное решение не является единственным: для одного и того же землетрясения могут быть предложены различные конкурентные модели очага. Например, для очага сильнейшего на Большом Кавказе инструментально зарегистрированного Рачинского землетрясения опубликованы принципиально различные модели (см. работу [Fuenzalida et al., 1997] и работу [Вакарчук и др., 2013]). Первая модель четырехактная, механизмы субочагов взбросы, у последнего субочага взброс со сдвиговой компонентой, т.е. в целом механизмы субочагов схожи. Вторая модель трехактная, первые два субочага взбросы, третий – сброс, т.е. на конечном этапе вспарывания в тылу взброса реализовано компенсационное движение.

Построения, основанные на механизмах очагов и моделировании волновых форм (афтершоковых последовательностей и очагов сильных землетрясений), объединяет одно – они построены исключительно на основании сейсмологического материала. Отсутствует подтверждение или хотя бы сопоставление с результатами наблюдений в очаговой области иными методами. Цель статьи – рассмотреть, проявляются ли в поверхностных деформациях компенсационные движения, возможность которых высказывалась в работах по изучению механизмов очагов главного толчка и афтершоков [Костров, Шебалин, 1976].

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Объектом исследования является очаговая область серии землетрясений с М > 6.0, происшедших в провинции Герат в Афганистане в октябре 2023 г. Эпицентральная область Гератских землетрясений – одна из ключевых зон в глобальной тектонической конструкции. Общее представление о районе возникновения серии землетрясений в 2023 г. дает рис. 3.

 

Рис. 3. Сейсмотектоническое обрамление района землетрясения. В рамке показана эпицентральная область роя. Серые стрелки показывают направление погружения реликтовых зон субдукции. Активные разломы по работе [Бачманов и др., 2017] показаны красными линиями.

 

Разлом Налбандан, с подвижкой по которому связан очаг землетрясения, принадлежит горной системе Гиндукуш. Важнейшими тектоническими элементами глобального плана является зона субдукции Макран, по которой Аравийская плита погружается под Евразийскую. Граница между плитами здесь занимает обширный участок около 1000 км, на котором располагаются две крупные микроплиты: Лут и Хелманд. В регионе присутствуют реликтовые зоны субдукции, которые проявляются в активной глубокофокусной сейсмичности на Памире и Гиндукуше. Микроплиты Лут и Хелманд разделены сдвиговой разломной зоной Небандан. С севера блок Лут ограничен разломом Доруне. Заметим, что опубликовано много различных сейсмотектонических моделей региона с существенно отличающейся картиной в деталях, но в целом значительных противоречий между ними нет. Представленная схема построена нами на основании цифрового рельефа, карты активных разломов и других источников – все в свободном доступе в интернете [Stocklin, Nabavi 1973; Berberian, King 1981; Siehl, 2015; Styron, Pagani, 2020].

 

Рис. 4. Механизмы очагов сильных землетрясений (Mw ≥ 7.0) согласно источнику Global CMT (1976–2023 гг.) (Global CMT catalog. URL: http://www.globalcmt.org. Последнее скачивание в 2023 г.). Черным закрашены механизмы землетрясений Памиро – Гиндукушской зоны с глубиной гипоцентра 70 км и более. Пунктиром показана область, представленная детально на рис. 5. Активные разломы по работе [Бачманов и др., 2017] показаны красными линиями.

 

На рис. 4 показаны механизмы очагов землетрясений по данным Global CMT¹. Следует отметить отсутствие сильных землетрясений, связанных с разломом Налбандан. Отметим также разнообразие механизмов очагов: взбросы, сбросы, сдвиги. Это отражает сложный характер взаимодействием активных структур – погружение в зоне субдукции, наличие реликтовых зон субдукции, крупные сдвиговые разломы, микроплиты, сильно деформированные складчатые зоны. Отметим сильное землетрясение с механизмом чистый сдвиг по близвертикальной плоскости по разлому Небандан на расстоянии около 100 км к западу от очага Гератских землетрясений.

На рис. 5 показаны механизмы землетрясений с M_w ≥ 6.0.

 

Рис. 5. Механизмы очагов землетрясений (Mw ≥ 6.0) (Global CMT catalog. URL: http://www.globalcmt.org. Последнее скачивание в 2023 г.). Черным закрашены механизмы землетрясений с глубиной гипоцентра 70 км и более. Красным цветом выделены механизмы Гератских землетрясений. В круге показана область, представленная детально на рис. 6. Активные разломы по работе [Бачманов и др., 2017] показаны красными линиями.

 

Землетрясений по разлому Налбандан не отмечено не только с M_w ≥ 7.0, но и с более низкого порога M_w ≥ 6.0. Однако 150 км к северо-западу в системе разломов Копет-Даг в 2017 г. произошло землетрясение с M_w ≥ 6.0. Механизм очага этого землетрясения – взброс по крутопадающей плоскости, ориентированной согласно общему простиранию структур горного массива Копет-Даг. Вне Памиро-Гинукушских глубоких землетрясений, единственный глубокий очаг (чистый сброс, Н = 157 км) произошел в южной части блока Хелманд. Это может рассматриваться как свидетельство в пользу активности зоны субдукции Макран, расположенной южнее.

Землетрясения в области, ограниченной пунктирной линией (рис. 5), приведены в таблице.

 

 

Параметры землетрясений M_w ≥ 6.0 в системе разломов Небандан и Налбандан

№	Дата, время	Время после предыдущего события	Mw	Механизм
	1979/01/16, 09:50	?	6.5	Сдвиг со взбросовой компонентой
	1979/11/14, 02:21	10 месяцев	6.5	Сдвиг
	1979/11/27, 17:10	2 недели	7.0	Сдвиг со взбросовой компонентой
	1979/12/07, 09:23	10 дней	6.1	Сдвиг
	1997/05/10, 07:57	18 лет	7.2	Сдвиг
1	2023/10/07, 06:41	26 лет	6.2	Взброс
2	2023/10/07, 07:12	31 минута	6.3	Взброс
3	2023/10/11, 00:41	3.5 дня	6.2	Взброс
4	2023/10/15, 03:36	4 дня	6.3	Взброс

 

Четыре землетрясения по разлому Налбандан произошли в течение недели, их магнитуды совпадают в пределах точности определения. Таким образом, Гератские землетрясения скорее являются высокомагнитудным роем, а не классической последовательностью “главный толчок – афтершоки”.

Кроме исходных сейсмологических данных, представленных механизмами очага, для анализа доступны радарные снимки спутника Сентинель-1А от 25 сентября, 7 и 19 октября 2023 г. Даты съемок позволяют определить суммарные поля смещений для двух землетрясений 7 октября, происшедших с разницей в полчаса, и суммарное смещение для двух событий 11 и 15 октября.

 

Рис. 6. Механизмы очагов землетрясений (Mw ≥ 6.0) согласно источнику Global CMT (Global CMT catalog. URL: http://www.globalcmt.org. Последнее скачивание в 2023 г.) в окрестностях Гератских землетрясений. Красным цветом выделены механизмы Гератских землетрясений. Номера землетрясений соответствуют таблице. Активные разломы по работе [Бачманов и др., 2017] показаны красными линиями.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании радарных снимков до и после землетрясений 07.10.2023 г. была рассчитана парная интерферограмма, показывающая фазовые смещения отраженных радиолокационных сигналов. На ее основе получено суммарное поле смещений земной поверхности в результате землетрясений, произошедшие за период между съемками (рис. 7 и рис. 8). Смещения определены в направлении на спутник, но с учетом геометрии съемки (восходящая орбита) они без существенных ошибок могут быть пересчитаны в вертикальные. Максимальные смещения на спутник составили 38 см, что с учетом угла наклона зондирующего луча дает вертикальное смещение почти 47 см.

 

Рис. 7. Фазовая неразвернутая интерферограмма для двух землетрясений 07.10.2023 г. Красные звезды показывают положение эпицентров землетрясений с магнитудой 6.3 (первое по времени событие произошло севернее второго).

 

Рис. 8. (а) – Поле смещений земной поверхности в направлении на спутник в метрах на карте Google Earth Pro. Красный цвет – смещения в сторону спутника (“поднятия”), синий – “опускания”; (б) – та же карта смещений (начиная с 50 мм) на цифровой модели рельефа ETOPO1.

 

Каждый цветовой цикл на рис. 7 (от синего до красного цвета) соответствует фазовому сдвигу на 2π радиолокационного сигнала, отраженного от одной и той же площадки земной поверхности при первой и второй съемке. Это равно смещению 28 мм в направлении на спутник за период съемки.

Аналогично для землетрясений 11 и 15 октября, по радарным снимкам спутника Сентиенель-1А от 7 и 19 октября 2023 г. была рассчитана парная дифференциальная интерферограмма (рис. 9), которая после развертки фазы показала смещения в направлении на спутник до 60 см (рис. 10).

 

Рис. 9. Фазовая неразвернутая интерферограмма для двух землетрясений 11 и 15 октября 2023 г. Каждый цветовой цикл (от синего до красного цвета) соответствует фазовому сдвигу на 2π радиолокационного сигнала, отраженного от одной и той же площадки земной поверхности при первой и второй съемке. Это равно смещению 28 мм в направлении на спутник за период съемки.

 

Рис. 10. Поле смещений земной поверхности в направлении на спутник в долях метра на карте Google Earth Pro: красный цвет – смещения в сторону спутника (“поднятия”); синий – “опускания”. Смещения показаны начиная с 50 мм на цифровой модели рельефа ETOPO1: фиолетовые звезды – эпицентры по данным GCMT; зеленые – с сайта USGS.

 

Поскольку смещения в процессе землетрясений 11 и 15 октября 2023 г. происходили в направлении, близком к азимуту восходящей орбиты спутника, смещения в направлении на спутник можно без существенной ошибки пересчитать в вертикальные смещения, которые составят около 74 см.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Гератские землетрясения не имели столь катастрофических последствий, как происшедшие в феврале того же года Турецкие землетрясения и потому не имели широкого общественного резонанса, хотя с сейсмологической точки зрения они представляют большой интерес. Во-первых, рой землетрясений сам по себе явление нечастое. Согласно оценке [Арефьев, 2002] среди сильных землетрясений не более 30% представлены роями без выдающегося события. Во-вторых, в их очаговой области не было инструментально зарегистрированных сильных землетрясений (М ≥ 6.0). И, наконец, место возникновения Гератских землетрясений играет важную роль в глобальной тектонике.

На региональном масштабном уровне сдвиговым движениям по разлому Небандан препятствуют разломы Доруне и Налбандан. Чтобы освоить (accommodate) деформации, обусловленные сдвигом, требуются взбросовые движения на этих разломах. Генерально именно такой механизм и был реализован высокомагнгитудным роем Гератских землетрясений со взбросовыми механизмами. Более детальный анализ очагов этих землетрясений моделированием объемных волн с выделением субисточников вряд ли может быть реализован с приемлемой точностью из-за их относительно небольшой магнитуды.

В целом представления о преобладании взброса в очаговой области роя полностью согласуются с результатами спутниковой интерферометрии. В суммарном поле смещений на поверхности пары землетрясений 7 октября, а также 11 и 15 октября преобладают вертикальные поднятия. Вместе с тем, в краевых частях очаговой области выделяются небольшие участки, где движение представлено вертикальным опусканием. Они располагаются на периферии очаговой области и имеют меньшую величину по сравнению с поднятиями. Фактически, эти опускания реализуют компенсационный механизм движения, который обсуждался во Введении.

Результаты на основании сейсмологических данных (механизмы очагов) и интерферометрии согласовано показывают вертикальный характер подвижки в очагах Гератских землетрясений, что в свою очередь вписывается в региональную тектоническую схему. Вместе с тем анализ материалов спутниковой съемки позволил получить более детальную картину смещений на поверхности, в которой обнаруживаются компенсационные движения по периферии поднятий.

Полученные результаты демонстрируют эффективность комплексирования сейсмологических и деформометрических спутниковых методов анализа очаговых зон сильных землетрясений. Район Гератских сейсмических событий является крайне сложным в тектоническом отношении, также он сложен и для наземных исследований методами геологии и геофизики. Несмотря на сильно расчлененный рельеф, спутниковые методы позволили получить поля смещений на большую территорию, покрывающую очаговые области всех событий 2023 г. с минимальной задержкой по времени. В области землетрясений в Афганистане 2023 г. нет развитых сетей наблюдений методами спутниковой геодезии (GPS), поэтому для спутниковой радарной интерферометрии здесь нет альтернативы.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках госзадания ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН.

 

¹ Global CMT catalog. URL: http://www.globalcmt.org. Последнее скачивание в 2023 г.

Авторлар туралы

R. Tatevossian

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: ruben@ifz.ru
Ресей, Moscow, 123242

A. Ponomarev

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: ruben@ifz.ru
Ресей, Moscow, 123242

E. Timoshkina

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: ruben@ifz.ru
Ресей, Moscow, 123242

Zh. Aptekman

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences

Email: ruben@ifz.ru
Ресей, Moscow, 123242

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар