СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПОРТРЕТ РАЗЛОМНОЙ ЗОНЫ. ЧТО МОЖЕТ ДАТЬ АНАЛИЗ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ОЧАГОВ СЛАБЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ?

Расположение гипоцентров землетрясений в разломных зонах и тектонических узлах проявляется тем очевиднее, чем выше точность определения их положения. При этом сложная, разветвленная структура крупных разломных зон предполагает, что часть землетрясений происходит на оперяющих нарушениях более мелкого масштаба. Тем самым формируется «сейсмологический» критерий определения зоны динамического влияния разлома – зоны, в которой сосредоточена основная часть землетрясений, приуроченных к нему.

В работе рассматривается сейсмогенная структура нескольких разломных зон, расположенных в системе разломов Сан-Андреас. Высокая плотность расположения современных цифровых сейсмических станций в этом регионе и развитие современных методов обработки позволяют определять относительные координаты микро-землетрясений с ошибкой первые десятки метров, что дает возможность с высокой точностью установить границы области, в которой происходят активные деформационные процессы, и выявить пространственные особенности расположения сейсмических событий.

Мы использовали один из совершенных сейсмических каталогов, включающий события, произошедшие в районе Северной Калифорнии и зарегистрированные в интервале времени между январем 1984 г. и маем 2003 г. Результаты обработки сейсмических данных и выявленные в процессе анализа закономерности сопоставляются в статье с данными изучения структуры разломов, модельных и численных экспериментов; приведено количественное исследование закономерностей локализации очагов внутри разломных зон.

При помощи трехмерных построений продемонстрировано, что события локализуются в окрестности поверхности, близкой к плоскости с почти постоянным углом падения, причем основная масса событий оказывается сосредоточенной именно на этой условной плоскости.

Выявление характерных масштабов локализации сейсмичности может оказаться крайне важным в контексте задач о техногенном воздействии на разломную зону с целью частичного снятия напряжений. Судя по полученным результатам, область, в которой происходит активное деформирование при подготовке средних землетрясений (M≤6.5÷7.0), представляет из себя совокупность локальных «полос», каждая из которых имеет характерный размер порядка 100 м, который, в свою очередь, сопоставим с техногенными возможностями воздействия на геосреду. Можно надеяться, что исследование не только пространственной, но и временной тонкой структуры сейсмичности в окрестности разломной зоны позволит найти надежные ориентиры как места, так и времени осуществления подобных воздействий.

Выполненная работа демонстрирует необходимость создания в России исследовательских полигонов с развитыми и оснащенными локальными сейсмическими сетями.

1. Герасимова Т.И., Кондратьев В.Н., Кочарян Г.Г. Модельные исследования особенностей сдвигового деформирования трещин, содержащих заполнитель // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1995. – № 4. – С. 61–68.

2. Кочарян Г.Г., Кулюкин А.М. Исследование закономерностей обрушения подземных выработок в горном массиве блочной структуры при динамическом воздействии. Ч. 2. О механических свойствах межблоковых промежутков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1994. – № 5. – С. 27–37.

3. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 423 с.

4. Куксенко В.С. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел // Первая Всесоюзная школа-семинар «Физика прочности и пластичности»: Сборник докладов. – Л.: Наука, 1986. – С. 36–41.

5. Разломообразование в литосфере. Зоны сдвига / С.И. Шерман, К.Ж. Семинский, С.А. Борняков, В.Ю. Буддо, Р.М. Лобацкая, А.Н. Адамович, В.А. Трусков, А.А. Бабичев. − Новосибирск: Наука, 1991. – 261 с.

6. Разломообразование в литосфере. Зоны растяжения / С.И. Шерман, К.Ж. Семинский, С.А. Борняков, А.Н. Адамович, Р.М. Лобацкая, С.В. Лысак, К.Г. Леви. − Новосибирск: Наука, 1992. − 262 с.

7. Разломообразование в литосфере. Зоны сжатия / С.И. Шерман, К.Ж. Семинский, С.А. Борняков, А.Н. Адамович, В.Ю. Буддо. − Новосибирск: Наука, 1994. − 263 с.

8. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. – М.: Недра, 1970. – 160 с.

9. Ружич В.В., Шерман С.И. Оценка связи между длиной и амплитудой разрывных смещений // Динамика земной коры Восточной Сибири. – Новосибирск: Наука. СО, 1978. – С. 52–57.

10. Семинский К.Ж. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Тектонофизический аспект. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2003. – 243 с.

11. Семинский К.Ж., Кожевников Н.О., Черемных А.В., Поспеева Е.В., Бобров А.А., Оленченко В.В., Тугарина М.А., Потапов В.В., Бурзунова Ю.П. Межблоковые зоны земной коры: внутренняя структура и геофизические поля // Триггерные эффекты в геосистемах. – М.: ГЕОС, 2010.

12. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. – Новосибирск: Наука, 1977. – 103 с.

13. Шерман С.И., Борняков С.А., Буддо В.Ю. Области динамического влияния разломов (результаты моделирования). – Новосибирск, Наука. СО АН СССР, 1983. – 110 с.

14. Beach A., Welbon A.I., Brockback P.J., McCallum J.E. Reservoir damage around faults: outcrop examples from the Suez rift // Petroleum Geosciences. – 1999. – V. 5, № 2. – P. 109–116.

15. Bilham R., Whitehead S. Subsurface creep on the Hayward fault, Fremont, California // Geophysical Research Letters. – 1997. – V. 24. – P. 1307–1310.

16. Blenkinsop T.G. Thickness-displacement relationships for deformation zones: discussion // Journal of Structural Geology. – 1989. – V. 11. – P. 1051–1054.

17. Boettcher M.S., McGarr A., Durrheim R.J., Spottiswoode S., Milev V., Linzer L., Johnston M.J.S., Sell R.W. A broadband, wide dynamic range investigation of earthquakes in deep South African gold mines // Seismological Research Letters. – 2008. – V. 79, № 2. – P. 311

18. Bouchaud E., Lapasset G., Planès J., Naveos S. Statistics of branched fracture surfaces // Physical Review B. – 1993. – V. 48, № 5. – 2917–2928. – doi:10.1103/PhysRevB.48.2917.

19. Bradbury K.K., Barton D.C., Solum J.G., Draper S.D., Evans J.P. Mineralogical and textural analysis of drill cuttings from the San Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD) boreholes: Initial interpretations of fault zone composition and constraints on geologic models // Geosphere. – 2007. – V. 3, № 5. – P. 299–318. – doi:10.1130/GES00076.1.

20. Brodsky E., Ma K.F., Mori J. et al. Rapid Response Drilling: Past, Present, and Future // ICDP/SCEC International Workshop of Rapid Response Fault Drilling. – Tokyo, 2009. – 30 p.

21. Brown S.R., Scholz C.H. Broad bandwidth study of the topography of natural rock surfaces // Journal of Geophysical Research. – 1985. – V. 90, № B14. – P. 12575–12582.

22. Burford R.O., Harsh P.W. Slip on the San Andreas fault in Central California from alinement array surveys // Bulletin of the Seismological Society of America. – 1980. – V. 70. – P. 1233–1261.

23. Chester F.M., Chester J.S. Ultracataclasite structure and friction processes of the Punchbowl fault, San Andreas system, California // Tectonophysics. – 1998. – V. 295. – P. 199–221.

24. Chester F.M., Chester J.S., Kirschner D.L., Schulz S.E., Evans J.P. Structure of large displacement strike-slip fault zones in the brittle continental crust // Rheology and Deformation in the Lithosphere at Continental Margins / Eds. G.D. Karner, B. Taylor, N.W. Driscoll, D.L. Kohlstedt. – New York: Columbia University Press, 2004.

25. Chester J.S., Chester F.M., Kronenberg A.K. Fracture surface energy of the Punchbowl fault, San Andreas system // Nature. – 2005. – V. 437. – P. 133–136.

26. Chester F.M., Evans J.P., Biegel R.L. Internal structure and weakening mechanisms of the San Andreas fault // Journal of Geophysical Research. – 1993. – V. 98. – P. 771–786.

27. Cochran E.S., Li Y.-G., Shearer P.M., Barbot S., Fialko Y., Vidale J.E. Seismic and geodetic evidence for extensive, long-lived fault damage zones // Geology. – 2009. – V. 37, № 4. – P. 315–318.

28. Cornet F.H., Doan M.L., Moretti I., Borm G. Drilling through the active Aigion fault: The AIG10 well observatory // Comptes Rendus Geosciences. – 2004. – V. 336, № 4–5. – P. 395–406.

29. Cowie P.A., Scholz C.H. Physical explanation for the displacementlength relationship of faults using a post-yield fracture mechanics model // Journal of Structural Geology. – 1992. – V. 14, № 10. – P. 1133–1148.

30. Elliott D. The energy balance and deformation mechanisms of thrust sheets // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A. – 1976. – V. 203. – P. 289–312.

31. Evans J.P. Thickness-displacement relationships for fault zones // Journal of Structural Geology. – 1990. – V. 12. – P. 1061–1065.

32. Evans J.P., Chester F.M. Fluid-rock interaction in faults of the San Andreas system: inferences from San Gabriel fault rock geochemistry and microstructures // Journal of Geophysical Research. – 1995. – V. 100, № B7. – P. 13007–13020.

33. Fossen H., Hesthammer J. Possible absence of small faults in the Gullfaks Field, northern North Sea: implications for downscaling of faults in some porous sandstones // Journal of Structural Geology. – 2000. – V. 22, № 7. – P. 851–863.

34. Heermance R., Shipton Z.K., Evans J.P. Fault structure control on fault slip and ground motion during the 1999 rupture of the Chelungpu fault, Taiwan // Bulletin of the Seismological Society of America. – 2003. – V. 93, № 3. – P. 1034–1050.

35. Hull J. Thickness-displacement relationships for deformation zones // Journal of Structural Geology. – 1988. – V. 10. – P. 431–435.

36. Krantz R.W. Multiple fault sets and three-dimensional strain: theory and application // Journal of Structural Geology. – 1988. – V. 10. – P. 225–237.

37. Levi K.G., Sherman S.I. Applied geodynamic analysis. Musee Royal de L’Afrique Centrale – Tervuren, Belgique annales. Sciences Geologiques. 1995. V. 100. – 133 p.

38. Li Y.G., Vidale J.E., Aki K., Fei X. Depth dependent structure of the Landers fault zone from trapped waves generated by aftershocks // Journal of Geophysical Research. – 2000. – V.105, № B3. – P. 6237–6254. – doi:10.1029/1999JB900449.

39. Li Y.G., Vidale J.E., Cochran E.S. Low-velocity damaged structure of the San Andreas Fault at Parkfield from fault zone trapped waves // Geophysical Research Letters. – 2004. – V. 31. – L12S06. – doi:10.1029/2003GL019044.

40. Lienkaemper J.J., Borchardt G., Lisowski M. Historic creep rate and potential for seismic slip along the Hayward fault, California // Journal of Geophysical Research. – 1991. – V. 96, № B11. – P. 18261–18283.

41. Ma K.F., Tanaka H., Song S.R., Wang C.Y., Hung J.H., Tsai Y.B., Mori J., Song Y.F., Yeh E.C., Soh W., Sone H., Kuo L.W., Wu H.Y. Slip zone and energetics of a large earthquake from the Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project // Nature. – 2006. – V. 444. – P. 473–476.

42. Mitchell T.M., Faulkner D.R. The nature and origin of off-fault damage surrounding strike-slip fault zones with a wide range of displacements: A field study from the Atacama fault system, Northern Chile // Journal of Structural Geology. – 2009. – V. 31. – P. 802–816.

43. Muraoka H., Kamata H. Displacement distribution along minor fault traces // Journal of Structural Geology. – 1983. – V. 5. – P. 483–495.

44. Niu F.L., Silver P.G., Daley T.M., Cheng X., Majer E.L. Preseismic velocity changes observed from active source monitoring at the Parkfield SAFOD drill site // Nature. – 2008. – V. 454. – P. 204– 208.

45. Otsuki K. On the relationship between the width of shear zone and the displacement along fault // Journal of the Geological Society of Japan. – 1978. – V. 84. – P. 661–669.

46. Peacock D.C.P., Sanderson D.J. Displacement and segment linkage and relay ramps in normal fault zones // Journal of Structural Geology. – 1991. – V. 13. – P. 721–733.

47. Power W.L., Tullis T.E. Euclidean and fractal models for the description of rock surface-roughness // Journal of Geophysical Research. – 1991. – V. 96. – P. 415–424.

48. Power W.L., Tullis T.E., Brown S.R., Boitnott G.N., Scholz C.H. Roughness of natural fault surfaces // Geophysical Research Letters. – 1987. – V. 14. – P. 29–32.

49. Robertson E.C. Relationship of fault displacement to gouge and breccia thickness // Mining Engineering. – 1983. – V. 35, № 10. – P. 1426–1432.

50. Rubin A.M., Gillard D., Got J.L. Streaks of microearthquakes along creeping faults // Nature. – 1999. – V. 400. – P. 635–641.

51. Sagy A., Brodsky E.E. Geometric and rheological asperities in an exposed fault zone // Journal of Geophysical Research. – 2009. – V. 114. – B02301. – doi:10.1029/2008JB005701.

52. Savage H.M., Brodsky E.E. Collateral damage: Capturing Slip Delocalization in Fracture Profiles // Submitted to Journal of Geophysical Research. 2010.

53. Scholz C.H. Wear and gouge formation in brittle faulting // Geology. – 1987. – V. 15. – P. 493–495.

54. Scholz C.H. The mechanics of earthquakes and faulting. – Cambridge: Cambridge University Press, 2002. – 496 p.

55. Schulz S.E., Evans J.P. Mesoscopic structure of the Punchbowl Fault, Southern California and the geologic and geophysical structure of active strike-slip faults // Journal of Structural Geology. – 2000. – V. 22. – P. 913–930.

56. Segall P., Pollard D.D. Nucleation and growth of strike slip faults in granite // Journal of Geophysical Research. – 1983. – V. 88. – P. 555–568.

57. Shipton Z.K., Cowie P.A. Damage zone and slip-surface evolution over μm to km scales in high-porosity Navajo sandstone, Utah // Journal of Structural Geology. – 2001. – V. 23, № 12. – P. 1825– 1844.

58. Shipton Z.K., Evans J.P., Abercrombie R.E., Brodsky E.E. The missing sinks: slip localization in faults, damage zones, and the seismic energy budget // Earthquakes: Radiated Energy and the Physics of Faulting / Ed. R. Abercrombie. – Washington, DC: AGU, 2006a. – P. 217–222.

59. Shipton Z.K., Soden A.M., Kirkpatrick J.D., Bright A.M., Lunn R.J. How thick is a fault? Fault displacement-thickness scaling revisited // Earthquakes: Radiated Energy and the Physics of Faulting / Ed. R. Abercrombie. – Washington, DC: AGU, 2006b. – P. 193–198.

60. Sibson R.S. Thickness of the seismic slip zone // Bulletin of the Seismological Society of America. – 2003. – V. 93, № 3. – P. 1169–1178.

61. Tanaka H., Fujimoto K., Ohtani T., Ito H. Structural and chemical characterization of shear zones in the freshly activated Nojima fault, Awaji Island, Southwest Japan // Journal of Geophysical Research. – 2001. – V. 106, № B5. – P. 8789–8810.

62. Villemin T., Angelier J., Sunwoo C. Fractal distribution of fault length and offsets: Implications of brittle deformation evaluation – the Lorraine Coal Basin // Fractals in the Earth Sciences / Eds. C. Barton, P. LaPointe. – New York: Plenum Press, 1995. – P. 205–226.

63. Waldhauser F., Richards P.G. Reference Events for Regional Seismic Phases at IMS Stations in China // Bulletin of the Seismological Society of America. – 2004. – V. 94, № 6. – P. 2265–2279.

64. Waldhauser F., Schaff D.P. Large-scale relocation of two decades of Northern California seismicity using cross-correlation and doubledifference methods // Journal of Geophysical Research. – 2008. – Vol. 113. – B08311. – doi:10.1029/2007JB005479.

65. Walsh J.J., Watterson J. Distribution of cumulative displacement and of seismic slip on a single normal fault surface // Journal of Structural Geology. – 1987. – V. 9. – P. 1039–1046.

66. Watterson J. Fault dimensions, displacements and growth // Pure and Applied Geophysics. – 1986. – V. 124. – P. 366–373.

67. Zoback M.D., Hickman S., Ellsworth W.L. In situ fault zone observations from SAFOD, EarthScope Onsite Newsletter, winter. – Available at http://www.earthscope.org/es_doc/onsite/onsite_winter08.pdf).