Предварительный анализ перемещений станций GPS на Камчатке: скорости плит и геодезический предвестник землетрясения.

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.

 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

 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

 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.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).

 Косейсмические скачки и монотонные постсейсмические сигналы явно видны на большей части графиков. На графиках для станций KBG, KLU, ESSO и TIG можно также заметить пресейсмические сигналы, хотя они выражены не столь ясно. Для оценки величины косейсмических скачков мы использовали два подхода. В первом подходе величину скачка рассчитывали как разность двух "стандартных"оценок, (каждая из которых основана на стандартном 24-х-часовом интервале 00ч-24ч UT), по двум интервалам, прилегающим к интервалу, который содержит момент землетрясения 5 декабря 1997 г. Данные самого этого интервала отбрасывались. Этот подход использует стандартную обработку данных, однако отбрасывание данных, ближайших к сильному событию, нежелательно. Чтобы избежать этой трудности, применялась и другая процедура, когда величина скачка вычислялась по оценкам, которые основываются на двух непосредственно прилегающих друг к другу нестандартных, сдвинутых 24-х-часовых интервалах (12ч-12ч UT). В этом случае момент сильного землетрясения (11ч23м UT) почти совпадает с границей между интервалами (12ч UT). Для расчета оценок в этом случае в процессе обработки данных производилась экстраполяция эфемерид орбит спутников на 12 часов. Эти два подхода дали достаточно близкие результаты (табл.1). Для окончательных оценок косейсмического скачка используются результаты второй процедуры.

 Чтобы дать численные оценки пресейсмического и постсейсмического сигналов, использовали следующий подход. Сначала путем визуального просмотра данных было обнаружено, что для большинства пресейсмических сигналов можно выбрать общую длительность около 15-20 дней. Подобным же образом для постсейсмических сигналов можно было выбрать также общую длительность (неожиданным образом) той же величины - 15-20 дней. Надо сказать, что такой выбор не является вполне однозначным. Например, для KLU, KBG и BKI можно выбрать приблизительно 25-дневную длительность пресейсмического сигнала. В то же время для ESSO и KLU можно выбрать для постсейсмического сигнала длительность порядка 35 дней. Тем не менее, мы полагаем, что выбранный нами вариант (общий для всех станций) является приемлемым. Для численной оценки амплитуд пресейсмического и постсейсмического сигналов были выбраны базовые временные интервалы на каждом графике, до или после сигнала соответственно. Медианные уровни для этих интервалов, указанные жирными горизонтальными линиями на рис.6, были выбраны как отсчетный уровень для численной оценки сигнала. На этой основе были определены амплитуды и длительности каждого пресейсмического и постсейсмического сигнала. Табл.2 дает нашу характеристику вида постсейсмических и пресейсмических сигналов (монотонный, импульсного вида, сложный или же отсутствует) и их численные параметры. Мы также сравниваем знаки пресейсмического и постсейсмического сигналов со знаком косейсмического скачка. Можно видеть прекрасное согласие для постсейсмического сигнала, в то время как для пресейсмического сигнала корреляции не видно. Мы также приводим значение полного скачка, определенного как разность упомянутых выше базовых уровней. Для канала TIG-E мы рассматриваем сигнал как слишком зашумленный для получения каких бы то ни было надежных оценок; для этой станции амплитуда косейсмического скачка пресейсмического и косейсмического сигнала принята условно равной нулю.

Анализ результатов

Средние скорости

Рассмотрим значение средних скоростей (табл.1). Следует отметить, что оценка скоростей для периода перед землетрясением приведена только для станций KLU и KMS. Для KMS не заметно ни косейсмического скачка, ни изменений скорости для периода перед и после землетрясения, поэтому мы приводим единую оценку по всему временному интервалу. Для KLU надо отметить различие скоростей для периодов перед и после землетрясения. Но основной объем данных о скоростях относится к периоду после землетрясения. Векторы скорости для этого периода были пересчитаны с использованием станции TIG в качестве фиксированной точки, и соответствующие векторы изображены на рис.1. Если сопоставить наблюдаемую картину с известными представлениями о структуре плит вокруг Камчатки, можно прийти к следующим предварительным заключениям:

1. Относительная скорость для пары точек KMS и TIG может быть связана с движением Североамериканской плиты относительно плиты Охотии; характер этого движения - почти чистое сжатие по направлению ЮЗ-СВ со скоростью около 1,8 см/год. Станция TIL очень близка к границе Североамериканской и Берингийской плит, и оценки жесткого перемещения плит, которые могли бы быть получены на основе пары TIL-TIG, могут быть искаженными. Все же, используя формально TIL как точку для плиты Берингия, по данным пары TIG-TIL можно оценить движение Берингии относительно Охотии как чистое сжатие со скоростью примерно 0,7 см/год по направлению ВЗ. Для пары TIL-KMS относительное движение характеризует перемещение Североамериканской и Берингийской плит, оно имеет характер косого сжатия со скоростью около 1,2 см/год по направлению СЮ.