Variations in the slope of the earthquakes recurrence curve in the tonga subduction zone in 2005–2022

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Зона субдукции Тонга–Кермадек является частью протяженной границы Австралийско-Тихоокеанской плиты и простирается примерно на 2٧00 км между Новой Зеландией и южной частью Самоа (рис. 1а). Тонга–Кермадек – самая глубокая впадина в южном полушарии, сейсмичность здесь выражена от поверхности до глубины ~720 км [Bonnardot et al., 2007]. Эта зона субдукции обеспечивает конвергенцию между Тихоокеанской и Австралийской плитами и является местом самых высоких скоростей субдукции Тихоокеанской плиты и ее доминирующего растяжения [Bevis et al., 1995; Bonnardot et al., 2009]. Скорость конвергенции составляет около 15–16 см/год [Kusky, 2022], увеличиваясь к северу до максимума ~24 см/год [Bevis et al., 1995]. Регион характеризуется высокой активностью как поверхностных, так и глубоких землетрясений (см. рис. 1б) [Penisoni et al., 2021]. Северный край зоны субдукции Тонга–Кермадек (зона Тонга) характеризуется разрывом Тихоокеанской плиты, которая постепенно прогибается по мере того, как входит в северную часть желоба [Bonnardot et al., 2007]. В 2006 и 2009 гг. в этом регионе произошло два сильнейших землетрясения с магнитудами M_w = = 8.0 и 8.1 (см. рис. 1б).

 

Рис. 1. Зоны субдукции тектонических плит.

а – зона субдукции Тонга (выделена прямоугольником) с фоновой карты [https://www.usgs.gov/media/images/pacific-plate-boundaries-and-relative-motion]. Стрелки указывают направление движения плит;

б – эпицентры землетрясений зоны субдукции Тонга за 2005–2022 гг.: вулканы в зоне субдукции, извергавшиеся в 2005–2022 гг. (оранжевые звездочки) и два сильнейших землетрясения с М_w = 8 и 8.1, произошедших в 2006 и 2009 гг. (красные звездочки).

 

К зоне субдукции Тонга приурочено около 170 островов, представляющих собой вулканические центры, регулярно извергающиеся в течение последних нескольких десятилетий [Kusky, 2022]. С 2006 по 2022 г. известно о десяти извержениях вулканов в этом районе – Хоум-Риф (Home Reef), Тафу-Мака (Tafu-Maka), Вест Мата (West Mata), Латейки (Lateiki), Хунга-Тонга–Хунга-Хаапай (Hunga Tonga–Hunga Haapai), Тофуа (Tofua) и Безымянный (Unnamed) (см. рис. 1б). Для количественной оценки извержения вулканов используется вулканический эксплозивный индекс VEI [Newhall, Self, 1982], связанный с объемом изверженного материала. Для извержения вулкана Хунга-Тонга–Хунга-Хаапай в 2022 г. этот индекс достиг VEI = 5, для остальных – VEI = = 0–2.

Изменение состояния среды находит отражение в различных геофизических полях. В данной работе рассматриваются вариации наклона графика повторяемости (значение b). Закон повторяемости землетрясений – закон Гутенберга-Рихтера [Gutenberg, Richter, 1944] является одним из фундаментальных законов сейсмического режима, отражающим, в частности, соотношение числа слабых и сильных землетрясений в заданном временном интервале на фиксированной территории и выражается формулой:

$\lg N=a-bM,$ (1)

где N – число землетрясений с магнитудой М и более, a и b – коэффициенты.

Наклон графика повторяемости связывается со строением среды в широком смысле. В монографии [Смирнов, Пономарев, 2020] рассмотрены две “научные школы”. Одна указывает на то, что вариации b контролируются напряжениями, другая говорит об обусловленности вариаций b структурой неоднородностей литосферы. Авторы монографии выдвигают гипотезу о том, что структура неоднородностей контролирует предельные значения b, а изменения напряжений отвечают за временные вариации b.

Известен ряд случаев, когда вариации наклона графика повторяемости соответствовали подготовке сильного землетрясения [Завьялов, 1984; Моги, 1988; и др.]. Такие предвестниковые вариации не противоречат известным моделям подготовки землетрясения лавинно-неустойчивого трещинообразования и дилатантно-диффузионной, в рамках которых обычно рассматривается процесс трещинообразования. Также вариации значени b могут быть связаны с вариациями напряжений в среде [El-Isa, Eaton, 2014; Calderoni et al., 2019; Li et al., 2021].

Обычно значение b рассматривается как функция пространства или функция времени. Одним из факторов пространственно-временных вариаций значений b являются вариации напряжений, возникающие в окружающих породах, что подтверждается сопоставлением рассчитанных значений b с кажущимся напряжением [El-Isa, Eaton, 2014; Calderoni et al., 2019; Li et al., 2021]. Есть исследования, где говорится, что на вариации значения b влияют тектоническая обстановка, поровое давление, геотермический градиент, кластеризация землетрясений, метод расчета значения b и неполные данные из каталога [Wyss et al., 1997, 2001a]. Вариации значения b с глубиной также связывают с кажущимся напряжением [Zhu et al., 2005; Rodríguez-Pérez, Zuniga, 2018], с изменением физических свойств внутри погружающейся плиты [Enescu et al., 2011], с неоднородностью материала, структурой разломов, флюидонасыщенностью.

Значения b в целом для Земли варьируются в диапазоне 1.02 ± 0.03 [El-Isa, Eaton, 2014]. При этом для более локальных зон значения b испытывают значительные флуктуации от 0.3 до 2.5 [Gerstenberger et al., 2001; Nuannin, 2006; Wyss, Stefansson, 2006; Lin et al., 2007; Li, Chen, 2021].

Оценка значения b кажется тривиальной в теории, но не на практике. На рассчитанные значения b влияет качество данных (размер выборки), методика расчета значения b [Tormann, 2011; Herrmann et al., 2022], состояние сейсмических сетей и совершенствование методов регистрации землетрясений [Потанина и др., 2011]. Возникновение форшоков и афтершоков кратковременно искажает региональную величину b, более того, если афтершоковая активность высока, это может привести к заметному уменьшению b [Коновалова, Салтыков, 2008]. Выбор величины представительной магнитуды Mc в качестве нижнего порога величины M также влияет на оценку значения b. Выбор Mc должен быть конкретным и осмысленным для получения надежных результатов, которые способствуют лучшему пониманию физических процессов, лежащих в основе вариаций значения b.

Некоторые исследования поддерживают нулевую гипотезу, согласно которой кажущиеся вариации b являются артефактами [Marzocchi et al., 2020].

Для расчетов значений b выбиралась пространственная область, соответствующая разломной зоне, соотносящейся с магнитудой сильнейших землетрясений. Так, для землетрясения M_w = 8.1 линейные размеры очага составляют порядка 180 км, для M_w = 8.0–160 км [Гусев, Мельникова, 1990]. Учитывая суммарную протяженность двух очагов землетрясений с M_w = 8.0 и 8.1 и землетрясений с 6.5 ≤ M_w ≤ 6.9 выбран район исследования протяженностью ~900 км.

В данном исследовании полученные вариации значения b с глубиной в зоне субдукции Тонга сопоставляются с тектонической моделью этой зоны. А также в связи с высокой сейсмической и вулканической активностью региона (землетрясения с большими магнитудами до ~8, сильнейшие извержения вулканов, в частности, Хунга-Тонга в 2022 г.) оценивается перспектива использования вариаций b в качестве предвестника сильных землетрясений.

ДАННЫЕ

Район исследования включает зону субдукции Тонга с координатами 14°–23°S, 171°–178°W (см. рис. 1б). Использовался каталог землетрясений Геологической службы США (USGS) за 2005–2022 гг. (https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/). Выборка из каталога содержит 7753 землетрясений с магнитудами 3.2 ≤ ≤ M ≤ 8.1 и глубинами до 400 км¹ (рис. 2а). Величина землетрясений в каталоге представлена магнитудами m_b и M_w (рассчитанными по объемным волнам и по сейсмическому моменту соответственно). Каталог был приведен к единому магнитудному типу m_b путем пересчета по формуле [Scordilis, 2006]:

$m_b=(M_{\text{w}}-1.03)/\mathrm{0.85.}$ (2)

По распределению землетрясений по глубине в каталоге выявлены артефакты, связанные с их группированием на глубинах 10 км (2٧89 землетрясений, 3.8 ≤ m_b ≤ 6.8) и 35 км (842 землетрясения, 3.5 ≤ m_b ≤ 6.1). Эти землетрясения выделяются как две сплошные полосы на фиксированных глубинах 10 и 35 км (см. рис. 2а). Эти решения удалены из каталога и в дальнейшем не рассматриваются, предполагая, что на оценках b это не отразится.

Итоговая выборка из каталога содержит 4120 землетрясений с магнитудами 3.8 ≤ m_b ≤ 8.3 и глубинами до 400 км (см. рис. 2б).

В 2005–2022 гг. в районе зоны субдукции Тонга произошло 12 наиболее сильных землетрясений с 6.5 ≤ m_b ≤ 8.3 (табл. 1, см. рис. 2в), 8 из них являются поверхностными с глубинами очагов 11 ≤ ≤ H ≤ 55 км. А также три землетрясения с 6.5 ≤ m_b ≤ 6.8 с присвоенной глубиной H = = 10 км (см. табл. 1).

 

Таблица 1. Землетрясения с m_b ≥6.5, произошедшие в зоне субдукции Тонга в 2005–2022 гг.

№	Дата	mb*	Координаты (S°, W°)	Глубина, км
1	3 мая 2006 г.	8.2	20.19, 174.12	55
2	28 сентября 2006 г.	6.9	16.59, 172.03	28
3	19 октября 2008 г.	6.9	21.86, 173.82	29
4	30 августа 2009 г.	6.6	15.22, 172.57	11
5	29 сентября 2009 г.	8.3	15.49, 172.10	18
6	24 ноября 2009 г.	6.8	20.71, 174.04	18
7	28 апреля 2012 г.	6.6	18.69, 174.71	135
8	23 ноября 2013 г.	6.5	17.12, 176.55	371
9	29 июня 2014 г.	6.7	14.98, 175.51	18
10	30 марта 2015 г.	6.5	15.5, 173.03	11
11**	4 ноября 2017 г.	6.8	15.32, 173.17	10
12**	4 ноября 2019 г.	6.6	18.58, 175.27	10
13	24 апреля 2021 г.	6.5	18.9, 176.27	301
14	25 апреля 2021 г.	6.5	21.61, 177.15	246
15**	21 мая 2021 г.	6.5	16.60, 177.37	10

Примечание. * – магнитуды землетрясений m_b пересчитаны из M_w; ** – землетрясения имеют присвоенное значение глубины 10 км.

 

Рис. 2. Распределение землетрясений зоны субдукции Тонга по глубине за 2005–2022 гг.

а – выборка из каталога USGS; б – распределение землетрясений после удаления решений гипоцентров с H = 10 и 35 км; в – распределение землетрясений с ограничением по магнитуде m_b ≥4.5. Красными звездочками отмечены землетрясения с магнитудами m_b = 8.2 и 8.3, желтыми – с 6.5 ≤ m_b ≤ 6.9.

 

МЕТОДЫ

Наклон графика повторяемости b вычисляется методом максимального правдоподобия, по [Куллдорф, 1966]:

$b=\lg \left(1+\frac{N_0}{{\displaystyle {\sum }_{i=0}i\cdot n_{M_0}+0.1i}}\right)/\mathrm{0.1,}$ (3)

где N₀ – число землетрясений магнитудой не менее M₀, n – число землетрясений магнитудой M₀. В этом выражении учтен шаг группирования землетрясений по магнитуде ∆М = 0.1.

Среднеквадратичная ошибка σb вычисляется, по [Куллдорф, 1966]:

$\sigma b=b/\sqrt{N},$ (4)

где N – количество землетрясений, для которых рассчитано значение b.

Корректная оценка значения b зависит от конфигурации сети сейсмических станций и полноты каталога землетрясений, которая определяется пороговым значением представительной магнитуды Mс. Формализации процедуры оценки представительной магнитуды Mc уделяется достаточно большое внимание исследователями. Как правило, представительность каталога определяется через пороговую оценку магнитуды Mc, выше которой распределение числа землетрясений N по магнитуде M можно считать экспоненциальным для заданного уровня статистической значимости α [Писаренко, 1989; Смирнов, 2009]. В работах [Mignan, Woessner, 2012; Павленко, Завьялов, 2021] сравниваются различные методы оценки Mc. Причем в статье [Павленко, Завьялов, 2021] сделан вывод, что “замечательные результаты оценки Mc для выборок среднего и большого объема дает метод Писаренко”. В данной работе нами использован подход [Салтыков, 2019], опирающийся на упомянутый метод Писаренко [1989], но отличающийся от него методикой оценки статистической значимости.

Сравнение фактического числа землетрясений N₀ с его оценкой согласно аппроксимации позволяет оценить статистическую значимость α гипотезы экспоненциальности распределения рассматриваемой выборки из каталога с ограничением по нижнему уровню магнитуд M₀ [Салтыков, 2019]. Либо, задав необходимую значимость α, принять или отклонить гипотезу об экспоненциальности распределения и, соответственно, представительности каталога на уровне Mc = M₀.

Представительная магнитуда для каталога, приведенного к магнитуде m_b, оценивалась в скользящих окнах длиной от 400 до 50 представительных событий (рис. 3). Тенденции изменения совпадают для всех величин окон. Отметим, что применение меньших окон позволяет выявить короткие участки с лучшей представительностью, при этом статистическая значимость остается заданной. Оценка представительности каталога в целом дала значение =4.5 (красная линия, см. рис. 3), дополнительно здесь показана шкала представительности каталога, приведенного к магнитуде M_w. Для магнитуды M_w представительность каталога варьировалась от 4.4 до 5.2.

 

Рис. 3. Представительность каталога землетрясений Mc в 2005–2022 гг. в скользящих окнах шириной N = 50–400 представительных землетрясений.

Красная линия – оценка представительности каталога в целом. Приведены две оси магнитуд, соответствующие магнитудам M_w и m_b.

 

После выбора порога = 4.5 каталог содержит 2435 землетрясений (см. рис. 2в).

С целью изучения временных вариаций значения b(t) использовались скользящие временные окна, содержащие постоянное число N представительных событий с заданным перекрытием. Выбор количества событий в окне является компромиссом между точностью оценки b и временным разрешением (эффектом сглаживания широкими окнами). Чтобы подтвердить, что значение b является реальным и объективным, а не вызвано длинами временных окон, мы исследовали влияние различных N на результаты расчета. Убедившись в совпадении тенденций временных вариаций b (рис. 4, рис. 5а), было решено использовать далее скользящие окна, содержащие N = 200 событий со сдвигом в 20 событий.

 

Рис. 4. Распределение значения b по глубине для зоны субдукции Тонга в итоговом каталоге за 2005–2022 гг. (синие точки) и для глубин 10 и 35 км (оранжевые точки).

Горизонтальные отрезки соответствуют стандартному отклонению значения b.

I–IV – номера выделенных интервалов глубин. Приведены две оси b, соответствующие магнитудам M_w и m_b.

 

Рис. 5. Временной ход наклона графика повторяемости (здесь значение b ≡ bmb), рассчитанный в скользящих окнах шириной N = 800, 400, 200 землетрясений; вертикальные полосы – момент возникновения сильных землетрясений с mb ≥6.5 (а). Временной ход наклона графика повторяемости (значение b), рассчитанный в скользящих окнах разной ширины; вертикальные отрезки – стандартное отклонение значения b; красная горизонтальная линия – временной интервал, в пределах которого значение b постоянно (б–г).

Красными звездочками отмечены землетрясения с магнитудами m_b = 8.2 и 8.3, желтыми – 6.5≤ m_b ≤ ≤ 6.9, серыми – 6.5 ≤ m_b ≤ 6.8, H = 10 км (см. табл. 1).

 

Декластеризация каталога не проводилась, так как предварительный анализ показал относительно небольшое число зависимых событий (64 события, 1٧ кластеров, выявленные методом Резенберга [Reasenberg, 1985; Wyss et al., 2001b]), и при анализе обращалось внимание на кратковременные аномалии b. Учитывая относительную кратковременность интенсивного афтершокового процесса, резкие скачки b были бы с неизбежностью идентифицированы. Однако подобных скачков мы не видели.

Оценка вариаций значения b с глубиной проводилась по аналогичной методике: рассматривались землетрясения с глубинами, попадающими в вертикальное скользящее окно, каждое окно содержало постоянное количество представительных событий N = 200 со сдвигом 20. Для каждого окна рассчитывалось значение b. На перекрывающихся участках последовательных окон рассчитывалось среднее b. При этом дисперсия сглаженных оценок b не корректировалась, принимая во внимание отсутствие независимости входных данных при расчетах в перекрывающихся окнах. Вариации значения с глубиной представлены на рис. 4, который дополнен шкалой значения, пересчитанной из соотношения:

$b^{M_w}=\frac{b^{m_b}}{0.85},$ (5)

где – значение b, полученное для каталога землетрясений с магнитудами m_b, – для каталога землетрясений с магнитудами M_w.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для зоны субдукции Тонга для 2005–2022 гг. получены статистически значимые вариации значения b с глубиной. Отмечается особенность – минимальные значения b = 0.71–0.75 наблюдались на глубине 0–15 км (см. рис. 4), затем значение b монотонно возрастало и на глубине 94 км достигло максимального значения b = 1.56. После этого b снижалось до b = 1.05 на глубине 214 км. Далее b немного увеличилось до b = 1.36 на глубине 340 км с последующим незначительным падением до b = 1.18 на глубине 400 км.

Отдельно рассмотрены значения b на глубинах 10 и 35 км, они равны b = 1.35 ± 0.06 и b = 1.64 ± ± 0.1 (см. рис. 4, оранжевые точки). Эти значения значительно отклоняются от рассчитанной зависимости b от глубины для итогового каталога, что свидетельствует в пользу гипотезы, что группирование землетрясений на глубинах 10 и 35 км в каталоге USGS является артефактом методики расчета гипоцентрии.

Исходя из тенденций изменения величины b с глубиной, выделены четыре интервала глубин (см. рис. 4), рассматриваемые ниже раздельно. Интервал I соответствует глубинам 0–100 км, II – 100–210 км, III – 210–350 км, IV – 350–400 км.

Временной ход значения b рассчитывался в окнах длиной 800, 400 и 200 событий со сдвигом 80, 40 и 20 событий соответственно (см. рис. 5а). Ниже приведены и обсуждаются данные для магнитуды m_b (для магнитуды M_w необходим пересчет согласно формулам (1), (2).

На рис. 5 видно, что рассчитанные кривые имеют тенденцию к уменьшению значения b на начальной стадии с последующим увеличением с 2009 г. Полученные вариации значения b показывают хорошую стабильность для различных длин окон, поэтому тенденция вариации b, отраженная на рис. 5, не вызвана выбором ширины скользящего окна. При этом окно длиной 200 событий показывает лучшую детальность вариаций значения b при незначительном увеличении σb с сохранением тенденции к падению значения b в 2005–2009 и увеличению b в 2010–2022 гг. По вариациям значения b можно отметить, что большая часть наиболее сильных землетрясений c 6.5 ≤ m_b ≤ 8.3 происходила при уменьшении значения b.

Для четырех диапазонов глубин (0–100 км, 100–210 км, 210–350 км, 350–400 км) (см. рис. 4) построен временной ход наклона графика повторяемости (рис. 6). Для поверхностного слоя (см. рис. 6а) выделяется статистически значимое падение значения b(t) с 06.2005 по 12.2010 г. с 1.18 ± 0.1 до 0.88 ± 0.08. На этом участке графика наиболее сильные землетрясения попадают на понижение кривой b(t) и вблизи минимумов b(t): два сильнейших землетрясения 3 мая 2006 г. с m_b = 8.2, H = 55 км и 29 сентября 2009 г. с m_b = 8.3, H = 18 км, а также четыре землетрясения с m_b = 6.6–6.9 (см. табл. 1). Поверхностные землетрясения в 2014 и 2015 гг. произошли на участке графика, где ошибка σb была значительной для определения трендов b. Дополнительно на график вариации значений b для диапазона глубин 0–100 км (см. рис. 6а) нанесены упомянутые выше три землетрясения с m_b = 6.5–6.8 с присвоенной глубиной H = 10 км (серые звездочки), исключенные из расчетного каталога (см. табл. 1). В связи с тем, что мы не знаем их истинную глубину, вариации значений b на этом участке графика не обсуждаются.

Для глубин 100–210 км и 350–400 км выражена обратная тенденция, землетрясения с m_b ≥ 6.5, в основном, происходили на участке графика, где значение b возрастало (см. рис. 6б, 6г). Для глубины 210–350 км землетрясения с m_b ≥ 6.5 происходили на участке графика, где значение b было постоянным, а в 2021 г. после снижения значения b, но величина σb для этих участков не позволяет уверенно констатировать этот эффект (см. рис. 6в).

 

Рис. 6. Временной ход наклона графика повторяемости (значение b), рассчитанный в скользящих окнах шириной N = 200 землетрясений с перекрытием 20.

Четыре графика соответствуют обозначенным интервалам глубин (H). Вертикальные отрезки – стандартное отклонение значения b.

Обозначение землетрясений см. рис. 5.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Интерпретации вариаций значений b в зонах субдукции уделяется значительное внимание в литературе, но в большинстве случаев их можно связать с двумя факторами: 1) тектоническими характеристиками, увеличением или уменьшением напряжения, действующего на систему разломов [Amelung, King, 1997; Kulhanek, 2005; Enescu et al., 2011; El-Isa, 2013], 2) дегидратацией субдуцируемой коры [Wyss et al., 2001a; Schorlemmer et al., 2003; Legrand et al., 2012].

В работе [Morales-Yáñez et al., 2022] отмечается, что более низкие значения b характерны для глубин до 60 км, а для более глубоких сегментов плиты характерны более высокие значения b. Сопоставимая тенденция вариации значений b наблюдалась для зоны субдукции Тонга. Минимальные статистически значимые значения b = 0.71–0.75 наблюдались на глубине 0–15 км, затем значение b монотонно возрастало и на глубине 94 км достигло максимального значения b = 1.56. После этого значение b варьировалось в диапазоне 1.05–1.36 на глубинах 100–400 км.

Рассмотрим вариации значений b с глубиной для разных зон субдукции. Исходя из рассчитанных значений b для зоны субдукции Тонга, выделена область с самыми высокими значениями на глубине 94 км (см. рис. 4), что также отмечено для других зон субдукции. Вариации значений b с глубиной были выявлены для распределения землетрясений в регионе Вранча, Румыния [Enescu et al., 2011]. Значение b было большим в верхней части плиты на глубинах 60–120 км и меньшим в нижней части плиты (глубины 130–160 км). Сделано предположение, что изменение значения b с глубиной для землетрясений связано с изменением напряжения в погружающейся плите. Это предположение основано на обнаруженном повышенном среднем кажущимся напряжении в нижнем сегменте погружающейся плиты Вранча (глубины 110–220 км) по сравнению с верхним сегментом (глубина 60–110 км) для 28 землетрясений с 3.1 ≤ M_D ≤ 6.2 (M_D – магнитуда по длительности сотрясения [Nassir et al., 2012]) с 1997 по 2000 гг. [Popescu et al., 2003].

Для зоны субдукции Чили обнаружены более высокие значения b (1.02) для сегмента плиты 70–150 км [Morales-Yáñez et al., 2022], промежуточные для глубин 0–30 км (0.89) и самые низкие для 30–70 км (0.76). Вариации значения b могут быть связаны с сегментацией плиты по падению.

Для региона Шумагинских островов (Алеутская гряда, США) максимальные значения b = 1.12 отмечены для глубин 95–110 км, что также отмечено для региона Новой Зеландии (максимальные значения b = 1.45 отмечены на глубине 90–100 км) [Wiemer, Benoit, 1996; Schorlemmer et al., 2003] выявили аномалию с высоким значением b для Южно-Тирренской зоны (Италия), простирающуюся от 90 км до ~200 км. В центре плиты на глубине 120–150 км наблюдалось b = 2.3 ± 0.2, на глубинах 150–300 км b = 1.5 ± 0.4. Эта зона характеризуется многочисленными наложенными друг на друга вулканическими постройками, а аномалия высокого значения b на глубине 90–200 км под вулканическим районом в данном исследовании связывается с происхождением магмы.

Высокое значение b обнаружено в зоне субдукции в районе Тохоку (северная Япония) на глубине 150 км [Wyss et al., 2001a], и оно также связывается с дегидратацией субдуцируемой плиты.

Низкие значения b (0.6–0.8) наблюдались в районах, разрушенных сильными землетрясениями с M_w ≥7.5 [Legrand et al., 2012], повышенные значения b наблюдались в кластерах сейсмичности, залегающих внутри погружаемой плиты под Центральной вулканической зоной Анд, и могли свидетельствовать об обширной термической дегидратации океанической литосферы, которая способствовала плавлению мантии и, следовательно, магмагенезу, питающему вулканическую цепь.

Вариации значения b с глубиной выявлены также для западного края зоны субдукции Рюкю, Тайвань [Lin et al., 2008]. Значения b = 1.0 наблюдались между глубинами 90 и 110 км над зоной Вадати–Беньофа, они на 20٪ выше, чем в соседних объемах, что также соответствует широко распространенной концепции о том, что дегидратация погружающейся океанической коры на глубине около 100 км, приносящая флюиды, мигрирующие в вышележащую мантию, может быть причиной повышения порового давления и снижения эффективного напряжения. Более низкие значения b обнаружены внутри погружающейся плиты на глубинах от ٧0 до 90 км и могут быть связаны с механизмами сжатия в этой части плиты.

В зонах субдукции на глубинах менее 60 км большинство землетрясений происходит на границе контактирующих плит или вблизи нее, часть в континентальной коре, в то время как сейсмичность, происходящая ниже 60 км, характеризуется внутриплитными землетрясениями [Morales-Yáñez et al., 2022]. Граница плит в зонах субдукции проходит как минимум через два отчетливых реологических перехода – на глубинах 20–50 км происходит переход к пластическому сдвигу, а на глубинах 80 ± 20 км пластичная сдвиговая зона переходит в мантийный клин [Abers et al., 2020].

По комплексной компьютерной модели распределения вещества зона субдукции разбита на сегменты [Васильев, 2010]. Верхний сегмент (<30 км) характеризуется незначительной дегидратацией. Следующий сегмент (30–50 км) характеризуется более интенсивной дегидратацией. Сегмент 50–100 км – интенсивной дегидратацией и частичным плавлением. На глубине ~100 км захватывается область полного плавления погружающейся плиты – возможного источника расплава для вулканизма. Поэтому повышенные значения b на глубине 90–100 км могут быть связаны с общим явлением, вызванным субдукцией [Wiemer, Benoit, 1996] и дегидратацией плиты с последующей магмогенерацией [Stiphout et al., 2009].

Таким образом, вариации значения b по глубине связаны как с тектонической обстановкой, увеличением или уменьшением напряжения, так и с дегидратацией субдуцируемой плиты.

Океаническая плита Тонга испытывает значительное искривление как минимум до глубин 15 км [Millen, 1998]. Таким образом, можно предположить, что статистически значимые значения b = 0.71–0.75 на глубине 0–15 км связаны с искривлением плиты и, соответственно, большим напряжением. По распределению напряжений внутри северной части плиты Тонга (17°S–22°S, рассмотренная в данной работе область) [Bonnardot et al., 2009] установлено, что для нее характерен режим двойного напряжения. В диапазоне глубин 60–300 км наблюдается растяжение вниз по падению [Bonnardot et al., 2009]. Нижняя часть плиты глубже 400 км находится в режиме сжатия с дополнительной сдвиговой деформацией, вызванной, главным образом, мантийным течением. Растяжение плиты Тонга можно объяснить характером напряженного состояния, характерного, в целом, для зон субдукции: одной из главных причин движения плит следует рассматривать силу тяги со стороны погруженной и утяжеленной части литосферы, находящейся на глубинах более 100 км [Ребецкий, 2020]. Соотнося полученные значения b с напряженным состоянием плиты, можно сделать вывод, что повышенные b = 1.05–1.56 на глубинах ~60–300 км связаны с режимом растяжения плиты. В то же время вариации значения b с глубиной могут служить отражением реологических особенностей погружающейся плиты – максимальные значения b = 1.56 получены для глубины 94 км.

Рассмотрим временные вариации значения b для различных зон субдукции. По исследованию временных вариаций значения b сейсмически активного района вдоль побережья Тихого океана, включающего погружающиеся плиты Кокос и Наска (рассмотрены землетрясения с 0 ≤ H ≤ 70 км), обнаружено, что восемь сильнейших землетрясений с M_w ≥ 7.0 в 2000–2010 гг. произошли на фоне низких значений b [Kulhanek et al., 2018]. Временные вариации значения b перед землетрясением 11 марта 2011 г. с M_w = 9 в районе Тохоку-Оки, Япония, показали монотонное снижение b с 1.26 до 0.99 с 2003 г. по 2011 г. [Li et al., 2021]. Уменьшение значения b соотносится с увеличением кажущегося напряжения в окрестности очага землетрясения с 0.65 до 1.64 Мпа в 2003–2011 гг.

По исследованию временных вариаций значения b в течение пятилетнего интервала для тектонических землетрясений региона о. Суматра с магнитудами 3.8 ≤ M_w ≤7.1 [Nuannin, 2006] b(t) варьировал в широком диапазоне от 1.10 до 1.78 и наблюдались статистически значимые падения значения b, соответствующие по времени двум крупным событиям – гигантскому землетрясению 26 декабря 2004 г. с M_w = = 9.0 и землетрясению 28 марта 2005 г. с M_w = 8.7. В исследовании отмечено, что падение значений b показывает U-образную кривую на диаграммах b(t), а наиболее сильные землетрясения сосредоточены вблизи минимумов на кривой b(t). Реализованная аномалия низкого значения b подтверждает гипотезу о том, что будущий разрыв происходит в областях с высоким напряжением. Анализ временных вариаций значения b показал, что они оставались низкими после регистрации афтершоков, что позволяет предположить, что низкие значения b на небольших глубинах могут быть связаны с сохраняющимися во времени неровностями в сейсмогенной зоне.

Для зоны субдукции Тонга связь наиболее сильных землетрясений с m_b ≥6.5 на глубинах 0–400 км с пониженными значениями b не столь очевидна. Но если рассмотреть глубины 0–100 км, то окажется, что часть наиболее сильных землетрясений сопровождалась падением значения b. Для больших глубин такой закономерности не выявлено. Тем не менее, по полученным результатам очевидно, что использование вариаций значения b в качестве самостоятельного предвестника сильных землетрясений пока не предоставляется возможным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оценки значений b для зоны субдукции Тонга, полученные в настоящем исследовании, следуют общей тенденции предыдущих работ по исследованию вариаций значений b в зонах субдукции с глубиной, обнаруживая более низкие значения b = 0.71–0.75 на глубинах 0–15 км, а максимальные значения b = 1.56 на глубине 94 км. Изменение значения b с глубиной для зоны субдукции Тонга интерпретируется с точки зрения изменения напряжения в погружающейся плите. По сопоставлению с тектонической моделью Тонга меньшие значения b в приповерхностном слое могут соответствовать повышенному напряжению, а для больших глубин до 400 км характерно растяжение плиты. Следует отметить, что область повышенного значения b на глубине 90–100 км также может являться результатом фундаментального процесса, связанного с дегидратацией плиты, на этой глубине залегает магматический фронт, с которым связано присутствие активного вулканизма.

Временные вариации значения b зоны субдукции Тонга отражают общую тенденцию возникновения наиболее сильных землетрясений на фоне понижения значений b, но такая закономерность наблюдается только в поверхностном слое на глубинах до 100 км. Для больших глубин такой закономерности не выявлено.

Конфликт интересов

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Финансирование работы

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (в рамках государственного задания № 075-00682-24).

 

¹ На глубинах более 400 км регистрируются единичные землетрясения.

About the authors

A. A. Shakirova

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: shaki@emsd.ru
Russian Federation, Petropavlovsk-Kamchatsky

V. A. Saltykov

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences

Email: shaki@emsd.ru
Russian Federation, Petropavlovsk-Kamchatsky

References

Supplementary files